Engenharia Química - Técnico Lisboa - Autenticação · Gestão de uma Rede de Ar Comprimido ......
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Gestão de uma Rede de Ar Comprimido Joana Rocha Tasso de Figueiredo Dissertação para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química Orientadores: Professora Maria Teresa Angelino Reis Doutor Renato Henriques de Carvalho Júri Presidente: Professor Sebastião Manuel Tavares da Silva Alves Orientador: Doutor Renato Henriques de Carvalho Vogal: Professora Maria Joana Castelo Branco de Assis Teixeira Neiva Correia Junho, 2016
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Gestão de uma Rede de Ar Comprimido
Joana Rocha Tasso de Figueiredo
Dissertação para obtenção do grau de mestre em
Engenharia Química
Orientadores: Professora Maria Teresa Angelino Reis
Doutor Renato Henriques de Carvalho
Júri
Presidente: Professor Sebastião Manuel Tavares da Silva Alves
Orientador: Doutor Renato Henriques de Carvalho
Vogal: Professora Maria Joana Castelo Branco de Assis Teixeira Neiva
Correia
Junho, 2016
1
Aos meus pais e à minha irmã que me apoiaram nesta
caminhada.
2
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a algumas pessoas que me apoiaram neste percurso e a alcançar esta
etapa tão desejada.
Em primeiro lugar, quero agradecer à minha orientadora Maria Teresa Reis pelo seu incansável
apoio e ajuda, em todos os momentos no decorrer da elaboração da tese, sem ela este percurso teria
sido bastante mais difícil de terminar.
Em segundo lugar, e não menos importante, gostaria de agradecer ao meu orientador Renato
Carvalho pelos seus conselhos, orientação e apoio, tanto a nível científico como pela sua
disponibilidade e paciência em ajudar na execução da tese.
A todos os trabalhadores da Iberol S.A., pela incansável disponibilidade para me ajudar e
responder a todas as minhas dúvidas e me ajudaram para que o meu trabalho fosse conseguido da
melhor maneira.
Aos meus colegas de estágio, Miguel Poeira e Mónica Duarte, e ao David Faria pela ajuda e
apoio que me deram e todos os momentos de brainstorming que me proporcionaram.
Ao Francisco Patrocínio, que me acompanhou no início do estágio incansavelmente
explicando-me todo o seu trabalho e que sem ele, o meu trabalho de campo seria bastante mais
moroso.
Aos meus amigos, que me ajudaram e apoiaram durante todo o meu percurso académico e
que muitas vezes me transmitiram a energia positiva que eu precisava.
Às minhas avós, que sempre me apoiaram nesta caminhada e se preocuparam sempre com o
meu sucesso.
À minha irmã, que me acompanha há 23 anos e que sem ela toda a minha vida não tinha
qualquer significado. Aos momentos em que pude descarregar todas as minhas ansiedades e medos
sem nunca me julgar e sem me deixar desamparada.
Aos meus pais, que me tornaram no que sou hoje, dando-me a melhor educação,
proporcionando uma vida fenomenal sem nunca pedir nada em troca. Graças aos meus pais eu
consegui enfrentar os meus medos, ultrapassar os meus obstáculos e alcançar os meus sucessos. Aos
meus pais agradeço todo o apoio, dedicação, colaboração e carinho em 23 anos de vida.
O meu muito obrigada!
3
Este documento encontra-se redigido ao abrigo do novo Acordo
Ortográfico da Língua Portuguesa.
4
Resumo
O trabalho apresentado tem como objetivo essencial a gestão e otimização da rede de ar
comprimido, aplicando ao caso prático existente na Iberol S.A., para a redução dos custos excessivos
associados à produção de ar comprimido. Para atingir o objetivo proposto procedeu-se ao levantamento
da rede existente, ao levantamento dos pontos críticos da rede e à criação de metodologias de
manutenção preventiva da rede de ar comprimido.
Para o desenvolvimento do trabalho foram criadas ferramentas em software Excel® (2013) para
o apoio à execução das metodologias criadas e de modo a avaliar os resultados obtidos para futuras
melhorias.
Com a execução do trabalho seguidamente demonstrado foi possível conhecer todas as
valências da rede de ar comprimido existente e quais os pontos a otimizar. Também foi possível
implementar algumas medidas de otimização e avaliar a importância da monitorização da rede de ar
comprimido existente.
Palavras-chave: Ar Comprimido, Otimização, Rede de Ar Comprimido, Utilidades.
5
Abstract
The presented work has an essential objective, the management and optimization of
compressed air network, applying it to existing practical case study in Iberol S.A., to reduce the
excessive costs associated with the consumption of compressed air. To achieve the proposed objective,
a survey of the existing network and a survey of critical points in the network were proceeded and it was
created preventive maintenance methodologies of the compressed air network.
For the development of the work, were created in Excel® software tools to support the implementation
of established methodologies and to evaluate the results obtained for future improvements.
With the execution of the work subsequently demonstrated, it was possible to know all the valences of
the existing compressed air network and which points to optimize. It was also possible to implement
some optimization and evaluate the importance of monitoring the existing compressed air network.
Keywords: Compressed Air, optimization, Compressed Air Network, Utilities.
6
Índice
1. Introdução .................................................................................................................................. 10
1.1. A Iberol S.A. ....................................................................................................................... 10
1.1.1. Produção de Farinha de Soja e Farinha de Colza ............................................ 10
1.1.2. Produção de Biodiesel ............................................................................................ 13
1.1.3. Produção de Full-fat ................................................................................................ 13
1.2. Objetivo e âmbito do trabalho a desenvolver ............................................................... 14
2. O Ar Comprimido ...................................................................................................................... 15
2.1. Composição do Ar Atmosférico ................................................................................... 15
2.2. Rede de Ar Comprimido ................................................................................................. 15
2.2.1. Produção de Ar Comprimido ................................................................................. 16
2.2.2. Distribuição de Ar Comprimido ............................................................................ 25
2.3. O Consumo de Ar Comprimido .................................................................................... 32
2.3.1. Medidas Para Otimizar Redes de Ar Comprimido ........................................... 34
3. Análise de Caso Prático – Iberol S.A. ................................................................................. 39
3.1. Rede de Ar Comprimido Existente .............................................................................. 39
3.1.1. Sala de Produção de Ar Comprimido .................................................................. 39
3.1.2. Distribuição de Ar Comprimido ............................................................................ 42
3.1.3. Consumo de Ar Comprido ..................................................................................... 43
3.2. Otimização da Rede de Ar Comprimido Existente .................................................. 57
3.2.1. Redução de Fugas ................................................................................................... 58
3.2.2. Eliminação de Pontos Obsoletos ......................................................................... 64
3.2.3. Ajuste da Qualidade do Ar Comprimido ............................................................ 67
3.2.4. Recuperação de calor para aquecimento de água industrial ....................... 69
4. Conclusão e Propostas Futuras ........................................................................................... 72
5. Bibliografia ................................................................................................................................. 74
7
Índice de Figuras
Figura 1 - Processo de produção de farinha de soja e farinha de colza. ............................................... 11
Figura 2 - Comparação das dimensões da semente de colza e do grão de soja. .................................. 12
Figura 3 - Processo de produção de Biodiesel. ..................................................................................... 13
Figura 4 - Processo de produção de Full-fat.......................................................................................... 14
Figura 5 - Exemplo de rede de ar comprimido típica. (Carbon Trust, 2005) ......................................... 16
Figura 6 - Efeito da temperatura na energia fornecida ao compressor. (Electrobrás, 1985) ............... 19
Figura 7 - Permutador para arrefecimento do ar de admissão ao compressor. (eCompressedAir) ..... 19
Figura 8 - Variação da pressão através da variação do volume da camara de compressão. (Atlas
Copco, 2015).......................................................................................................................................... 21
Figura 9 - Esquema de compressores alternativos. a) Compressor de diafragma; b) compressor pistão.
(PIP - Process Industry Practices Machinery, 2007); (Fialho, 2003) ...................................................... 22
Figura 10 - Esquema de compressores rotativos. a) Compressor de lóbulos; b) Compressor de
parafuso; c) Compressor de palhetas. (Fialho, 2003) ............................................................................ 22
Figura 11 - Tipos de configuração para redes de distribuição de ar comprimido. a) Circuito aberto; b)
Circuito fechado. (TopRing) ................................................................................................................... 25
Figura 12 - Exemplo de ramificação correta de uma tubagem. (IEFP) .................................................. 27
Figura 13 - Exemplo de cotovelo de uma rede de ar comprimido. (Legris - Transair, 2005) ................ 28
Figura 14 - Válvula globo a) Totalmente aberta; b) e c) Semiaberta; d) Totalmente fechada. (The Flow
Control Valves, 2016) ............................................................................................................................ 29
Figura 15 - Válvula de esfera. (Volk Flow Controls Inc., 2003) .............................................................. 29
Figura 16 - Válvula de cunha. (The Free Dictionary, 2003) ................................................................... 30
Figura 17 - Filtro-Regulador-Lubrificador. (Draper Tools, 2016) ........................................................... 30
Figura 18 - Purgador de válvula solenoide. (Jefferson) ......................................................................... 31
Figura 19 - Purgador de válvula flutuador. (Kaeser Compressors, 2015) ............................................. 32
Figura 20 - Distribuição de custos em compressores durante 10 anos. (Carbon Trust, 2005) ............. 33
Figura 21 - Distribuição da energia fornecida para o processo de compressão. (Compressed air
systems' waste heat improves plant economics, 2011) ........................................................................ 33
Figura 22 - Distribuição de utilização e potenciais pontos de melhoria de redes de ar comprimido.
(Sustainability Victoria, 2009), (Atlas Copco, 2012) .............................................................................. 34
Figura 23 - Equipamento de deteção de fugas. (Sonotec, 2016) .......................................................... 35
Figura 24 - Passos para a implementação de rotinas de inspeção. (Kaizen Institute, 2016) ................ 35
Figura 25 - Exemplos de utilização do calor reaproveitado na produção de ar comprimido. (Voltimum,
2009)...................................................................................................................................................... 37
Figura 26 - Medidor de temperatura e humidade do ar. (Amprobe) ................................................... 41
Figura 27 - Esquema de distribuição da rede de ar comprimido na unidade fabril. ............................. 43
Figura 28 - Esquema de estratégia de testes de consumo energético, onde t1 é o intervalo de tempo
de teste e t2 é o intervalo de tempo entre testes. ................................................................................ 44
Figura 29 - Histórico de consumos energéticos diários, os valores do eixo das ordenadas encontram-
se omitidos por questões de confidencialidade. ................................................................................... 46
Figura 30 - Representação de pontos diários não incluídos no modelo, os valores do eixo das
ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade. .............................................. 47
Figura 31 - Consumos e produções diárias dos diferentes processos, GS – Grão de Soja; SC – Semente
de Colza, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de
confidencialidade. ................................................................................................................................. 48
Figura 32 - Modelo de Boxplot. (Silva, 2011) ........................................................................................ 49
8
Figura 33 - Gráficos Boxplot para os diferentes consumos e produções diários, os valores do eixo das
ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade. .............................................. 49
Figura 34 - Gráficos Boxplot para o consumo de energia elétrica diários, os valores do eixo das
ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade. .............................................. 50
Figura 35 - Gráficos Boxplot para os diferentes consumos e produções diárias removendo os outliers,
os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade. ......... 50
Figura 36 - Gráficos Boxplot para o consumo de energia elétrica diários removendo os outliers, os
valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade. .............. 51
Figura 37 - Distribuição de consumos de ar comprimido pelos diversos processos. ........................... 54
Figura 38 - Distribuição de consumo de ar comprimido nos dias utilizados para testar o modelo. ..... 55
Figura 39 - Distribuição de consumos de ar comprimido pelos processos principais. ......................... 57
Figura 40 - Distribuição de quantidade de fugas por secção. ............................................................... 58
Figura 41 - Ferramenta de gestão de Manutenção Autónoma. ........................................................... 60
Figura 42 - Gestão que permite a ferramentas Excel............................................................................ 60
Figura 43 - Gráficos de análise da performance da manutenção autónoma........................................ 61
Figura 44 - Quadro criado para a Manutenção Autónoma. .................................................................. 62
Figura 45 - Comparação do número de anomalias reparadas pelos operadores das diversas secções e
pela equipa de manutenção. ................................................................................................................. 63
Figura 46 - Comparação do número de anomalias requeridas à equipa de manutenção por
manutenção autónoma e fora do âmbito de manutenção autónoma. ................................................ 64
Figura 47 - Pontos obsoletos a eliminar nos Silos Mistos. .................................................................... 65
Figura 48 - Pontos obsoletos a eliminar na preparação-extração. ....................................................... 66
Figura 49 - Pontos obsoletos a eliminados na Sala de Produção de ar comprimido. ........................... 66
Figura 50 - Pontos obsoletos a eliminar na Central de Vapor. ............................................................. 66
Figura 51 - Ponto de orvalho do ar comprimido à saída do secador e o valor de referência de acordo
com a ISO 8573-1, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de
confidencialidade. ................................................................................................................................. 68
Figura 52 - Sistema de recuperação de calor, Atlas Copco®. ................................................................ 69
Figura 53 - Funcionamento do equipamento de recuperação de calor. 1) Agua fria; 2) Ar Comprimido;
3) Energia elétrica; 4) Ar; 5) Circuito de óleo; 6) Energia recuperada; 7) Agua aquecida. (Atlas Copco)
............................................................................................................................................................... 70
9
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Qualidade requerida por tipo de aplicação. (SEI- Sustainable Energy Ireland, 2007) .......... 17
Tabela 2 - Especificações de classes do ar comprimido. (ISO, 2010) .................................................... 18
Tabela 3 - Especificações dos compressores existentes. (Atlas Copco) ................................................ 40
Tabela 4 - Especificações do secador de ar comprimido existente. (Atlas Copco) ............................... 40
Tabela 5 - Especificações filtro de ar comprimido existente. (Atlas Copco) ......................................... 40
Tabela 6 - Qualidade do ar comprimido obtida. (Atlas Copco) ............................................................. 41
Tabela 7 - Resumo de dados recolhidos para o ar atmosférico. ........................................................... 42
Tabela 8 - Resumo de dados recolhidos para o ar comprimido. .......................................................... 42
Tabela 9 - Parâmetros obtido para o modelo. ...................................................................................... 53
Tabela 10 – Análise de sensibilidade aos parâmetros em estudos. ...................................................... 56
Tabela 11 - Cálculo do payback nos diferentes cenários. (Atlas Copco), (Entidade Reguladora dos
Serviços Energético, 2016) .................................................................................................................... 71
10
1. Introdução
1.1. A Iberol S.A.
A Iberol foi fundada em 1967, com a sua instalação fabril situada em Alhandra, Vila Franca de
Xira. Em 1998, a empresa foi integrada no grupo NUTASA, passando a pertencer ao líder de mercado.
Atualmente, a Iberol é gerida por um Fundo de Recuperação de Empresas, a ECS Capital.
Em 1967, quando foi implementada, o objetivo era o aproveitamento industrial de sementes
oleaginosas para produção de farinhas para rações animais e comercialização dos seus subprodutos.
Em 2006, de forma a acompanhar as evoluções tecnológicas, a empresa alargou o seu objetivo
tendo implementado uma Unidade de Produção de Biodiesel (UPB). Esta alteração foi pioneira em
Portugal, sendo a primeira empresa a produzir biodiesel em território nacional. Com esta alteração, o
objetivo principal da empresa alterou-se, tornando-se a comercialização de biodiesel o seu foco e as
farinhas tornaram-se um subproduto, também fortemente comercializado.
Com esta alteração, a Iberol torna-se líder do mercado de biodiesel em território nacional,
mantendo uma forte influência no mercado de farinhas.
Assim, a Iberol tem quatro produtos principais comercializados. Estes são biodiesel, farinha de
soja, farinha de colza, farinha de soja integral (Full-Fat), óleo de soja e óleo de colza. Os processos
para obtenção destes produtos são descritos de seguida. (Iberol, S.A., 2011)
1.1.1. Produção de Farinha de Soja e Farinha de Colza
A produção de farinha de soja e farinha de colza é bastante semelhante, Figura 1, tendo ligeiras
diferenças ao longo do processo que irão ser referidas. Estes dois produtos são obtidos a partir de grão
de soja e semente de colza, respetivamente, os quais são recebidos na Iberol por meio marítimo,
rodoviário ou ferroviário.
11
As matérias-primas são armazenadas em 38 silos e são alimentadas ao processo a partir do
silo 37.
Ambas as matérias-primas são sujeitas a um processo de limpeza onde são removidas grande
parte das impurezas. Para isso, o grão de soja (ou a semente de colza) passam por um peneiro,
seguindo para um separador gravimétrico e por fim para um separador magnético. Após esta limpeza
é iniciado o processo de preparação da semente.
Na preparação, o grão de soja é alimentado a trituradores, seguindo para condicionadores. Nos
condicionadores, o grão partido é aquecido entre 85-95C, com o objetivo de tornar a semente mais
plástica e de desnaturar os inibidores da tripsina, enzimas que afetam negativamente a digestão animal.
(Andrade, et al., 2010)
O grão partido aquecido é alimentado a laminadores que, devido à força mecânica, vão laminar
o grão, colocando-o na forma ideal de flocos para a extração química. Por fim, os flocos passam por
um expander, onde aumenta a área específica e diminui a densidade do sólido, mas ao serem
compactados aumenta a densidade da corrente. Esta fase do processo também promove a rotura das
paredes das células onde é armazenado o óleo. Com isto, o expandido está preparado para a extração
química.
Impurezas (Paus, Cascas, Vagens,
Ferros e Pedras)
Preparação Transporte Grão de soja
ou
Semente de colza
Armazenamento Limpeza
Extração Farinha de Soja
ou
Farinha de Colza
Óleo de Soja Bruto
ou
Óleo de Colza Bruto
Figura 1 - Processo de produção de farinha de soja e farinha de colza.
12
No caso da semente de colza, o processo de
preparação da semente é ligeiramente diferente. A semente de
colza é pré-aquecido a 40ºC e entra de seguida nos
laminadores, não sendo necessário triturar devido ao tamanho
da semente ser inferior, o seu tamanho varia entre 0,224 e 1,8
mm, Figura 2. A semente de colza, após a laminagem segue
para os condicionadores e por fim para o expander. (Influence
of particle size on the pyrolysis of rapeseed (Brassica napus L.): fuel properties of bio-oil, 2000)
No processo de expansão, quando utilizada a semente de colza, obtém-se óleo extratado
fisicamente, enquanto que com o grão de soja o mesmo não se verifica.
Depois da preparação concluída, o expandido de soja (ou expandido de colza) segue para o
processo de extração química. A partir deste ponto o processo é idêntico com ambas as matérias-
primas, assim doravante a matéria-prima será denominada de expandido.
Na extração, o expandido alimenta o extrator rotativo que circula em contracorrente com uma
miscela de óleo e hexano, com baixa concentração de óleo. Desta forma, o bagaço que sai do extrator
entra em contacto com a miscela mais concentrada em hexano, garantindo assim a maior extração de
óleo possível. No final deste processo obtém-se duas correntes, a miscela e o bagaço.
O bagaço é alimentado a um Dessolventizador-Tostador-Secador (DTS), onde é adicionado
vapor a diferentes temperaturas ao longo dos andares do DTS. Esta ação tem como objetivo a remoção
do hexano, no dessolventizador; o aperfeiçoamento nutricional, no tostador; e a remoção de humidade,
no secador. O hexano presente no bagaço é arrastado pelo vapor, do qual é removido, a jusante, pela
adição de água quente.
A miscela é alimentada para torres de destilação, onde é removido o hexano, obtendo-se o
óleo. O óleo é sujeito a um processo de desgomagem física com adição de água por centrifugação, de
forma a eliminar os fosfatídeos hidratáveis, as lecitinas. Esta remoção é feita com o objetivo de reduzir
a concentração de fósforo no óleo, ajustando a composição de óleo aos valores pretendidos. O óleo é
sujeito ao aquecimento e posterior secagem a vácuo, obtendo-se o óleo bruto.
As lecitinas são adicionadas ao bagaço, tornando o bagaço mais nutritivo. As impurezas
removidas no processo de limpeza que contêm fontes de fibra, tais como paus, cascas e vagens, são
também adicionadas ao bagaço após tratamento das mesmas.
O bagaço é armazenado em armazéns até seguir para expedição. O óleo bruto é armazenado
em tanques intermédios para ser alimentado à produção de biodiesel. O óleo bruto é também
comercializado diretamente.
A capacidade instalada na Iberol para este processo é de 170 000 ton de farinha de colza/ano
e 450 000 ton de farinha de soja/ano. (Faria, 2015)
Figura 2 - Comparação das dimensões da
semente de colza e do grão de soja.
Colza Soja
13
1.1.2. Produção de Biodiesel
Para a produção de biodiesel é necessária a neutralização do óleo bruto. Esta fase é
indispensável devido à presença de ácidos gordos livres e dos fosfatídeos não hidratáveis. Para isso
adiciona-se ácido fosfórico para converter os fosfatídeos não hidratáveis em fosfatídeos hidratáveis.
De seguida é adicionada soda cáustica que irá neutralizar os ácidos gordos, formando uma mistura de
sabões, denominada de Soapstock. Assim, é obtido o óleo neutro que segue para transesterificação.
O óleo neutro pode também ser comercializado para biodiesel ou outros fins.
A transesterificação ocorre pela adição de metanol e de um catalisador, o metilato de sódio,
Figura 3. O biodiesel, depois de lavado e centrifugado, é armazenado em tanques para seguir para
expedição.
A glicerina, um subproduto obtido na reação de transesterificação, é sujeita a um processo de
purificação para remoção de sabões, metanol e evaporação de água para depois ser comercializada.
A Iberol, com este processo, tem capacidade para produzir até 110 000 ton de biodiesel/ano.
(Faria, 2015)
1.1.3. Produção de Full-fat
O Full-fat é um produto bastante comercializado devido à sua elevada composição proteica,
cerca de 38% de proteína bruta, Figura 4. (Borg, et al., 1988)
A matéria-prima, o grão de soja, é alimentada ao processo por um transportador proveniente
do silo 1.
O grão de soja passa por moinhos de martelos onde é triturado e extrusoras onde é cozido e
conferido textura ao produto. De seguida passa num secador para remover a humidade, arrefecendo e
sendo posteriormente armazenado. Com o isto, o material está pronto para expedição.
Metanol
Metilato de sódio
Glicerina
Transesterificação
Óleo bruto Armazenamento Neutralização
Soapstock
Biodiesel
Ácido fosfórico
Soda caustica
Óleo neutro
Figura 3 - Processo de produção de Biodiesel.
14
A capacidade instalada para a produção de Full-fat é de 70 000 ton/ano.
1.2. Objetivo e âmbito do trabalho a desenvolver
A rede de ar comprimido existente na Iberol S.A. à data de início do projeto de investigação
proposto, não era totalmente conhecida. Os percursos realizados pela rede de ar comprimido não eram
conhecidos e nem os seus equipamentos de uso final.
Os consumos de ar comprimido nos diferentes processos realizados na Iberol S.A. não eram
conhecidos. Consequentemente, o consumo energético para a produção de ar comprimido para cada
secção era também desconhecido, conhecendo-se apenas o consumo global de eletricidade na central
de ar comprimido.
Assim este trabalho teve como principais objetivos o mapeamento da rede de ar comprimido e
a análise dos equipamentos que necessitam de ar comprimido para o seu funcionamento.
Para a análise dos consumos de ar comprimido é também fundamental a análise de quais os
pontos problemáticos da rede de ar comprimido em que os consumos de ar comprimido podem ser
evitados, tais como fugas de ar comprimido, e alguns pontos em que o ar comprimido poderá ser
substituído por metodologias mais rentáveis.
Com a realização deste estudo, é também relevante sensibilizar todos os utilizadores de ar
comprimido dos seus custos e da importância da correta gestão da rede de ar comprimido. Esta
sensibilização é fundamental tanto para a rentabilidade dos processos de produção e distribuição de ar
comprimido, mas também a segurança e higiene de todos os seus utilizadores.
Impurezas (Ferros e Pedras)
Trituração Transporte Grão de soja Armazenamento Limpeza
Full-fat
Figura 4 - Processo de produção de Full-fat.
Extrusão
15
2. O Ar Comprimido
O ar comprimido é uma utilidade comummente requerida na indústria. Este é produzido pela
conversão do ar atmosférico, pressurizando-o. Esta transformação ocorre devido à ação mecânica a
que é sujeito. Os equipamentos utilizados para esta ação denominam-se de compressores.
Este gás é considerado um transportador de energia e frequentemente substitui a energia
elétrica. Recorre-se a este tipo de energia em fábricas que tem limitações devido à sua atmosfera
explosiva. (BOSCH, 2008)
Assim, na indústria o ar comprimido é uma utilidade prioritária e com custos de produção
relativamente acessíveis.
Para uma correta utilização do ar comprimido nos diversos equipamentos é importante ter em
conta a qualidade do ar comprimido requerida. Para essa definição, deve ter-se em conta a norma
europeia ISO 8573-1, referida seguidamente. Nesta norma encontram-se descriminados os valores de
humidade, partículas e óleo.
A descriminação da qualidade do ar comprimido é essencial para determinar o tratamento que
se deve conferir ao ar atmosférico antes da compressão e ao ar comprimido antes da distribuição. Este
tratamento deve ser melhor avaliado em áreas urbanas, pois é nestas que o ar se encontra com uma
concentração de contaminantes elevada. Esta concentração, após uma compressão de 10 bar,
aumenta cerca de 11 vezes. (Atlas Copco, 2015) (BOSCH, 2008)
2.1. Composição do Ar Atmosférico
O ar atmosférico tem, na sua composição química, essencialmente azoto (78%) e oxigénio
(21%), para além de conter também outros constituintes (1%), tais como Árgon, Hidrogénio, entre
outros. (Novais, 2014)
O ar atmosférico numa cidade movimentada, ou seja com bastantes automóveis, tem uma
quantidade de partículas muito superior ao de uma zona menos povoada. A pressão do ar atmosférico
também varia com a altitude a que se encontra, isto é, o ar atmosférico no topo de uma montanha tem,
obviamente, uma pressão inferior à pressão numa zona ao nível do mar.
2.2. Rede de Ar Comprimido
Para a produção e fornecimento de ar comprimido é necessária uma rede com alguma
complexidade. Uma rede de ar comprimido pode ser dividida em duas secções. A secção de produção
de ar comprimido, onde se encontram compressores, arrefecedores, filtros, secadores e depósitos
primários, e a secção de distribuição de ar comprimido, que inclui tubagens, Purgadores, depósitos
secundários e os equipamentos finais. (Hydro One, 2007)
16
A Figura 5 demonstra como deve ser composta uma rede de ar comprimido e todos os pontos
essenciais para o seu bom funcionamento.
2.2.1. Produção de Ar Comprimido
Para uma correta produção de ar comprimido é essencial a definição de algumas propriedades
do ar comprimido, tais como a pressão requerida, a qualidade e a quantidade de ar necessária.
A pressão normal utilizada na indústria é 7 bar (100 psig), sendo esta definida tendo em conta
o equipamento que requer a pressão mais elevada. (Atlas Copco, 2015)
A qualidade, como referido anteriormente, é definida de acordo com a ISO 8573-1. Esta norma,
com base em informações de fornecedores de equipamentos que utilizam ar comprimido, define
classes de qualidade desejada. Na Tabela 1 encontram-se as classes recomendadas para cada tipo de
equipamento, garantindo assim o maior tempo de vida do equipamento. A classe selecionada deve ser
a do equipamento que possui mais restrições, garantindo que a qualidade estará de acordo com todos
os equipamentos da rede. É importante ter em conta as impurezas que se podem acumular durante o
percurso do ar até ao equipamento de uso final. A Tabela 2 resume as especificações recomendadas
para cada classe.
Figura 5 - Exemplo de rede de ar comprimido típica. (Carbon Trust, 2005)
17
Tabela 1 - Qualidade requerida por tipo de aplicação. (SEI- Sustainable Energy Ireland, 2007)
Tipos de aplicação
Classe de qualidade a aplicar
Partículas Humidade Óleo
Agitação com ar 5 3 3
Motores de ar 4-1 5 4
Máquinas para tijolo e vidro 4 5 4
Limpeza de partes de máquina 4 4 4
Construção 5 5 4
Transportadores de produtos granulares 4 3 3
Transportadores de produtos em pó 3 2 2
Circuitos elétricos 4 4 4
Sensores 2-1 2 2
Máquinas de fundições 4 5 4
Alimentos e bebidas 3 1 2
Ferramentas manuais a ar 5-4 5-4 4
Exploração mineira 5 5 4
Manufatura microeletrónicas 1 1 1
Máquinas de embalamento e têxtil 3 3 4
Produção de filmes e fotografia 1 1 1
Cilindro pneumático 3 5 3
Ferramentas pneumáticas 4 4 4
Instrumentos de controlo de processos 2 3 2
Pulverização de tinta 3 3 3
Jato de areia 3 3 -
Máquinas de solda 4 5 4
Uso geral em oficina 4 5 4
18
Tabela 2 - Especificações de classes do ar comprimido. (ISO, 2010)
Classe
Partículas
(Nº de partículas/m3) Humidade
(Ponto de orvalho ºC)
Óleo
(Concentração
mg/m3) 0,1 md≤0,5 m 0,5 md≤1,0 m 1,0 md≤5,0 m
0 - - - - -
1 ≤20 000 ≤400 ≤10 ≤-70 ≤0,01
2 ≤400 000 ≤6 000 ≤100 ≤-40 ≤0,1
3 - ≤90 000 ≤1 000 ≤-20 ≤1
4 - ≤10 000 ≤3 ≤5
5 - ≤100 000 ≤7 >5
A quantidade de ar necessária numa rede de ar comprimido é calculada pela soma das
necessidades de ar de todos os equipamentos que irão constituir a rede de ar comprimido. Após esta
soma, deve-se adicionar um fator para fugas de ar e também para perdas de carga ao longo do percurso
do ar comprimido até aos equipamentos. Quanto mais acessórios e pontos de fuga o percurso tiver,
mais relevante terá de ser esse fator. (Atlas Copco, 2015)
O passo seguinte será dimensionar os equipamentos que irão constituir a secção de produção.
2.2.1.1. Arrefecedor Primário
O ar atmosférico que irá ser alimentado ao compressor deve ter uma temperatura o mais baixa
possível. Como tal, quando instalada uma rede de ar comprimido, é necessário ter em conta a
temperatura da sala onde se irá colocar a central de ar comprimido e avaliar a necessidade de um
arrefecedor primário.
A temperatura de referência de entrada de ar de um compressor é 15 C. Cada redução de 4
C na temperatura de admissão do ar proporciona uma redução do consumo elétrico do compressor
em 1%, Figura 6. (Electrical Energy Equipment: Compressors and Compressed Air Systems, 2006)
19
O efeito demonstrado na Figura 6 ocorre devido à densidade do ar. Quanto menor a
temperatura do ar, maior será a quantidade de moléculas por unidade de volume e maior será a
quantidade de ar comprimido por unidade de tempo. (Hydro One, 2007)
Para o arrefecimento do ar atmosférico são normalmente utilizados permutadores de calor, a
água, Figura 7, que consiste num permutador de tubos. O ar circula nos tubos e é arrefecido ao longo
do tubo com água em contracorrente.
Este arrefecimento só é benéfico quando a temperatura do ar de admissão é muito elevada,
pois a quantidade de água despendida para o arrefecimento torna-o pouco rentável para pequenas
variações de temperatura.
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40 50 60
Red
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o o
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um
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da
ener
gia
forn
ecid
a (%
)
Temperatura de admissão de ar (C)
Figura 6 - Efeito da temperatura na energia fornecida ao compressor. (Electrobrás, 1985)
Figura 7 - Permutador para arrefecimento do ar de admissão ao compressor.
(eCompressedAir)
20
2.2.1.2. Compressor
O compressor é o equipamento principal para a produção de ar comprimido. É nele que ocorre
a elevação de pressão do ar atmosférico. Por este motivo, a seleção correta do compressor é um passo
relevante na construção da rede de ar comprimido. Assim, é necessário conhecer os diversos tipos de
compressores e quais as suas aplicações.
Os compressores podem ser dinâmicos ou de deslocamento positivo. Os primeiros comprimem
através da utilização de velocidade rotacional, enquanto os segundos contam também com a
compressão devido à diminuição do volume da camara de compressão. Os compressores dinâmicos
podem ser centrífugos ou axiais e os compressores de deslocamento positivo podem ser de parafuso,
de palhetas ou alternados. (BOSCH, 2008)
Compressores Dinâmicos
Os compressores dinâmicos, também chamados de turbocompressores, trabalham de forma
contínua, sem variações de volume da câmara de compressão e a pressão constante. Os
compressores deste tipo, através da rotação de um veio, o rotor, é impelido para as paredes da câmara
de compressão e assim é elevada a sua pressão. A compressão ocorre pela transformação da energia
cinética, provocada pela rotação, em pressão estática. (Atlas Copco, 2015)
Estes compressores, devido ao volume da câmara não ser variável, a capacidade é
expressivamente variável com a temperatura do ar de entrada.
Os compressores dinâmicos mais comummente utilizados são os compressores axiais e os
compressores centrífugos.
A principal diferença entre os dois tipos de compressores dinâmicos é a direção do fluxo de ar
dentro do compressor. No caso dos compressores axiais, como o nome indica, o ar circula na direção
do eixo de rotação. Nos compressores centrífugos, o ar entra com direção axial e abandona o
compressor com direção radial. (Gupta, et al., 2013)
A utilização deste tipo de compressores torna-se vantajosa quando é necessário utilizar um
caudal de ar elevado (140 – 340 000 m3/h). Os compressores dinâmicos também são vantajosos,
devido à pouca manutenção necessária e aos elevados valores de eficiência obtidos.
Por outro lado, este tipo de compressores comportam um elevado investimento inicial, e por
vezes, precisam de água de arrefecimento.
Com isto, os compressores dinâmicos são maioritariamente utilizados na indústria de refinação
de petróleo. (PIP - Process Industry Practices Machinery, 2007)
21
Compressores de Deslocamento Positivo
Os compressores de deslocamento positivo, também chamados de compressores
volumétricos, ao contrário dos anteriormente descritos, elevam a pressão do ar através da redução de
volume da câmara de compressão. Por este motivo, o funcionamento destes ocorre de forma
descontínua. (Figura 8)
No caso dos compressores de deslocamento positivo existe a possibilidade destes serem
lubrificados com óleo. Este tipo de compressores podem ser de pistão, diafragma, parafuso, entre
outros. (Atlas Copco, 2015)
Os compressores de pistão ou diafragma têm um funcionamento semelhante, e como tal
denominam-se de compressores de deslocamento positivo alternativos (Figura 9). (PIP - Process
Industry Practices Machinery, 2007)
Os compressores de pistão são os compressores mais utilizados na indústria, também por
serem dos compressores mais antigos.
Nos compressores alternativos, o volume da câmara diminui com o movimento de um disco
giratório que obriga o pistão (ou diafragma) a diminuir e aumentar o volume da câmara. Assim, quando
o volume diminui, o ar é comprimido até atingir a pressão desejada, abrindo-se uma válvula para que
o ar comprimido abandone a câmara de compressão. Quando o pistão atinge o topo da câmara, a
Figura 8 - Variação da pressão através da variação do volume da camara de compressão. (Atlas Copco, 2015)
22
válvula de saída é fechada e abre-se a válvula de entrada obrigando o ar a entrar, devido ao aumento
do espaço na câmara. (Fialho, 2003)
Os compressores rotativos são também compressores de deslocamento positivo. Estes podem
ser de palhetas, de parafuso ou de lóbulos (vulgarmente denominados de roots) (Figura 10).
Nos compressores de lóbulos, a ar entra na câmara e com a rotação dos lóbulos o volume da
câmara vai diminuindo, comprimindo o ar. No caso dos compressores de parafuso, o ar ocupa as
cavidades do rotor e com a rotação o volume das cavidades vai diminuindo. Por fim, nos rotores de
palhetas o ar ocupa os espaços entre as palhetas que estão em rotação, com a rotação o volume do
espaço entre palhetas diminui.
Devido ao seu funcionamento, os compressores de deslocamento positivo podem abranger
uma larga gama de pressões com uma elevada eficiência. Estes compressores são benéficos também
por terem um baixo valor de investimento inicial e um design simples. Apesar destes pontos, estes
b) a) c)
Figura 10 - Esquema de compressores rotativos. a) Compressor de lóbulos; b) Compressor de parafuso; c) Compressor de
palhetas. (Fialho, 2003)
a) b)
Figura 9 - Esquema de compressores alternativos. a) Compressor de diafragma; b) compressor pistão. (PIP -
Process Industry Practices Machinery, 2007); (Fialho, 2003)
23
compressores podem, por vezes, não ser utilizados por produzirem um elevado ruído e precisarem de
alguma manutenção regular. (PIP - Process Industry Practices Machinery, 2007)
2.2.1.3. Arrefecedor Posterior
Frequentemente o arrefecimento do ar após a compressão é feito no interior do compressor.
(Atlas Copco, 2015)
Quando o arrefecimento é feito posteriormente, o arrefecedor irá remover o calor produzido na
ação de compressão. Esta fase é de extrema importância, devido à remoção de humidade. Ao diminuir
a temperatura do ar comprimido, a humidade presente irá condensar, tornando-se mais fácil a sua
remoção. (Hydro One, 2007)
Para este arrefecimento pode ser utilizado o ar atmosférico que se encontra na sala. O ar
comprimido flui em tubos e o ar atmosférico é forçado a passar pelo exterior dos tubos, por uma
ventoinha, e arrefece o ar comprimido. É aconselhável que o ar de arrefecimento depois de abandonar
o arrefecedor seja conduzido ao exterior da sala, para que não seja admitido ao compressor.
2.2.1.4. Filtro
Como referido, para que seja alimentado a alguns equipamentos, o ar comprimido tem de
corresponder a determinadas especificações. Por este motivo, a escolha adequada de um filtro é
fundamental para o bom funcionamento de uma rede de ar comprimido.
A escolha do ponto onde deve ser colocado o filtro também é fundamental para garantir a
máxima eficiência possível do filtro selecionado. O filtro deve ser colocado imediatamente a seguir ao
arrefecedor para filtrar a água que condensou no arrefecedor devido à diminuição da temperatura
provocada. (Talbott, 1993)
Para a escolha de um meio filtrante adequado é importante ter em conta a especificação exigida
pelo equipamento mais restritivo. Essa escolha, como referido, é feita com o auxílio da Tabela 1 e da
Tabela 2. Outro ponto essencial a ter em conta para a escolha do meio filtrante a utilizar é a qualidade
do ar atmosférico à entrada.
Assim, os tipos de filtros mais comuns para redes de ar comprimido são os filtros tipo ciclone,
os preliminares, os de alto desempenho e os de carvão ativado.
Nos filtros tipo ciclone, o tratamento é feito devido à força de inércia que é imposta ao ar
comprimido, impelindo as partículas para as paredes do filtro. Este tipo de filtro é de elevada eficiência
para a remoção de partículas de água, enquanto a eficiência na remoção de partículas varia com a
velocidade que o ar comprimido atinge, sendo mais eficiente para partículas pesadas.
Os filtros preliminares, em que o seu funcionamento se baseia no princípio de peneiração, a
humidade e o óleo não são significativamente removidos. Neste tipo de filtros é importante ter em
atenção o tamanho médio de partículas para a seleção correta do peneiro.
24
Os filtros de alto desempenho são utilizados quando existe a necessidade de operar com ar
comprimido de alta qualidade. Com este tipo de filtros são obtidos valores de concentração de óleo na
ordem de 0,01 mg/m3 e a remoção de partículas sólidas tem uma eficiência de 99,9999%. A filtração
neste tipo de equipamentos ocorre pela passagem do ar comprimido por fibras de textura porosa. Para
a utilização deste tipo de filtros é importante ter em atenção a temperatura do ar comprimido alimentado,
pois a eficiência do filtro varia fortemente com a temperatura de trabalho.
Por fim, os filtros de carvão ativado são aconselhados quando a concentração de partículas
sólidas não é fundamental. É também necessário, a remoção de humidade, pois esta reduz
significativamente o efeito do filtro. Estes filtros removem os hidrocarbonetos, atingindo concentrações
em óleo de cerca de 0,005 mg/m3. Os filtros de carvão ativado, quando atingem o seu nível de
saturação, não podem ser reutilizados. (BOSCH, 2008)
Com isto, a escolha do filtro adequado tem de ser ponderada. O excessivo tratamento do ar
comprimido não é aconselhado, pois irá provocar perda de carga e gastos desnecessários em
tratamento. O deficiente tratamento pode também comprometer o bom funcionamento dos
equipamentos a que o ar comprimido irá ser alimentado.
2.2.1.5. Reservatório pulmão de Armazenamento
O ar comprimido, depois do secador, deve ser armazenado num reservatório pulmão
corretamente dimensionado. O correto dimensionamento do reservatório pulmão garantirá menores
flutuações de pressão nos equipamentos de uso final.
A existência de reservatório pulmão irá permitir que o compressor, quando o uso de ar
comprimido não é significativo, possa ficar em stand-by proporcionando uma redução do consumo de
energia elétrica.
Geralmente, o volume do reservatório pulmão é definido de acordo com as especificações do
fabricante do compressor utilizado, tendo sempre em consideração a necessidade dos consumidores
finais.
2.2.1.6. Secador
Uma alternativa ao arrefecedor posterior, anteriormente referido, é a utilização de um secador.
Neste equipamento é removida a humidade do ar e reduzida a temperatura em simultâneo. (Metalplan
- Airpower, 2010)
Os tipos de secadores mais utilizados são os secadores por refrigeração e por adsorção.
Os secadores por refrigeração baseiam o seu funcionamento no arrefecimento do ar. O ar é
arrefecido até 0 C, para garantir a máxima condensação de água e óleo, evitando o congelamento dos
mesmos, e depois são removidos os condensados. Para o ar ser alimentado à rede de ar comprimido
25
é aquecido até à temperatura ideal de circulação na rede (cerca de 15 C). Para este aquecimento é
utilizada a energia recuperada no processo de arrefecimento.
Os secadores por adsorção operam diminuindo o ponto de orvalho para valores muito baixos
e provocando a adsorção, fenómeno de atração de moléculas de gases e líquidos para uma superfície
sólida, das moléculas de água no sólido adsorvente. Este tipo de secadores são compostos por dois
leitos iguais, para que enquanto é feita a regeneração de um leito, remoção de água e óleo que foi
adsorvida pelo sólido adsorvente, a outra possa continuar a operar garantindo o correto tratamento do
ar comprimido e a continuidade do fluxo. (Fargon)
Quando se opta pela utilização de secadores é aconselhável a colocação de um filtro prévio
para a remoção de partículas sólidas que possam contaminar o leito e outro filtro à saída do secador
para asseverar o tratamento ideal do ar comprimido no sistema.
2.2.2. Distribuição de Ar Comprimido
Para que uma rede de ar comprimido seja eficaz é fundamental que a sua distribuição seja feita
da melhor forma possível. Assim, é importante garantir que todos os constituintes sejam corretamente
selecionados e dimensionados.
Considera-se uma rede de distribuição eficaz quando a perda de carga desde o ponto de
produção até ao ponto de uso final não é significativa, até a 0,2 bar, e que as perdas de ar comprimido
por fugas equivalem a menos de 5% do uso total de ar comprimido. (Carbon Trust, 2005)
O primeiro ponto a ter em consideração é a escolha entre um circuito aberto ou um circuito
fechado, Figura 11. É importante ter um planeamento correto dos pontos onde irá ser necessário ar
comprimido.
Figura 11 - Tipos de configuração para redes de distribuição de ar comprimido. a) Circuito aberto; b) Circuito fechado.
(TopRing)
a) b)
26
O circuito aberto, Figura 11 a), é vulgarmente utilizado em instalações simples e que o ponto
de uso final se encontra relativamente perto do ponto de produção. É também utilizado em pontos
distantes da restante rede de ar comprimido. Este tipo de circuitos devem ser evitados devido à maior
probabilidade de ocorrência de fugas, pois este tipo de circuitos carecem de mais acessórios que
dificultam o isolamento das tubagens e facilitam a perda de ar pelas uniões. São também evitados
devido à acumulação de água por condensação ao longo da rede e acumulação no final da linha.
(Carbon Trust, 2005)
O circuito fechado, Figura 11 b), também denominado circuito em anel, é mais recorrente em
instalações fabris. Neste tipo de circuitos a distribuição para consumos intermitentes, por exemplo
válvulas pneumáticas, é uniforme e a velocidade do ar é menor. Assim, a variação de pressão ao longo
da rede é mais facilmente mantida. Por outro lado, em circuito fechado como o ar circula nos dois
sentidos, a remoção de condensados torna-se mais difícil. (Parker Hannifin Corporation, 2006)
2.2.2.1. Tubagem
Os parâmetros essenciais para o dimensionamento correto da tubagem são o material de
construção, a inclinação e o diâmetro.
O material de construção da tubagem deve ser o menos rugoso possível, para minimizar o
atrito à passagem de ar, pouco oxidável, para que não se crie ferrugem que seja arrastada pelo ar até
aos equipamentos de uso final, e resistentes à longa exposição solar e ao calor. Os tipos de materiais
mais utilizados são o aço galvanizado, o aço carbono, o ferro preto, o cobre, o alumínio, o aço inoxidável
e o PVC.
O PVC deve ser utilizado em distâncias muito curtas e protegidas, pois a exposição à atmosfera
ou a temperaturas elevadas deteriora o PVC e, por isso, este tipo de material implica uma manutenção
regular. Por outro lado, a utilização deste material é vantajosa devido à sua maleabilidade e facilidade
em ajustar-se a várias configurações.
O ferro preto e o aço galvanizado são materiais de baixo custo e com flexibilidade para juntas
roscadas e uniões. Contudo, este tipo de material é bastante suscetível a ferrugem e descamação da
tubagem, que irá libertar partículas que irão contaminar o ar que será alimentado aos equipamentos de
uso final.
O cobre não é aconselhável devido à dificuldade de adaptações prévias. O cobre é de difícil
manuseamento, pois implica soldaduras, e portanto todas as alterações posteriores terão de ser
planeadas aquando da instalação inicial da rede. Por outro lado, este material tem um baixo coeficiente
de atrito e nível de corrosão. (Parker Hannifin Corporation, 2000)
27
O aço carbono também é bastante utilizado, apesar da sua resistência à corrosão ser limitada.
O seu preço é acessível e é fácil de moldar, contudo não se prescinde da necessidade de efetuar
soldaduras.
O aço inoxidável, apesar do seu elevado custo, é uma boa opção. Este material é resistente à
oxidação e promove uma boa qualidade do ar.
O alumínio é o material menos suscetível à corrosão, com baixo coeficiente de atrito e leve, o
que facilita o manuseamento. É também o material mais versátil e com uma longa duração. (Ingersoll
Rand, 2016)
A inclinação da tubagem é um fator a ter em conta para evitar acumulações de água e resíduos
no interior da tubagem. Assim é aconselhável uma inclinação entre 0,5 e 2%. (Parker Hannifin
Corporation, 2006)
Por fim, o diâmetro é selecionado para que a velocidade no interior da tubagem seja inferior a
6 m/s. Para este cálculo é utilizada a Equação 1, onde é calculado o diâmetro da tubagem, D, sabendo
o caudal de ar comprimido, Q, e a velocidade pretendida, v. (Geankoplis, 1993)
𝑄 = 𝑣 ×𝜋𝐷2
4 Equação 1
Em circuitos fechados recomenda-se que o diâmetro da tubagem de alimentação ao circuito
seja duas vezes superior ao diâmetro das tubagens do anel.
Para evitar a corrosão das tubagens aconselha-se a pintura das mesmas com uma tinta
protetora. A cor aconselhada para tubagens de ar comprimido, de acordo com a norma português NP-
182, é o azul claro. (Instituto Português da Qualidade, 1966)
2.2.2.2. Ramificações da Tubagem
As ramificações, Figura 12, nas tubagens principais devem ser sempre feitas pela parte
superior, pois desta forma é possível minimizar o arrastamento de condensados da tubagem principal
para as ramificações. Assim, é possível aumentar a longevidade dos equipamentos que utilizam ar
comprimido.
Figura 12 - Exemplo de ramificação correta de uma tubagem.
(IEFP)
28
2.2.2.3. Acessórios
Ao longo das tubagens são utilizados acessórios para reduzir diâmetros de tubagens, cotovelos
para efetuar curvas, tês para dividir correntes, ou válvulas de corte, entre outros. Este tipo de acessórios
devem ser minimizados, pois todos eles implicam perda de carga do ar comprimido.
A união dos acessórios nas tubagens deve ser feita da melhor forma possível, para que não se
torne um ponto de fuga. Estas uniões podem ser feitas por flanges, roscas ou soldadas.
Quando utilizadas uniões por rosca é fundamental serem isoladas por fita adesiva (PTFE),
vulgarmente denominada Teflon.
As uniões soldadas são as mais aconselhadas devido à fiabilidade do isolamento e não
necessitam de manutenção. Por vezes não podem ser utilizadas, devido à natureza do material utilizado
ou devido ao carácter definitivo, pois não é possível desmontar a tubagem.
As ligações flangeadas são uma opção dispendiosa e, por vezes, a vedação não é a mais
eficaz. Normalmente são utilizadas em tubagens de diâmetro superior a 2 polegadas. (Novais, 2014)
Cotovelos
Os cotovelos, Figura 13, são acessórios para efetuar as curvas do percurso da rede de ar
comprimido. A seleção do ângulo de curva do cotovelo deve ser feita de modo a que a perda de
turbulência seja mínima. Deste modo, o raio da curva deve ser equivalente ao dobro do valor do
diâmetro externo da tubagem. (Parker Hannifin Corporation, 2006)
Válvulas
As válvulas são utilizadas para o corte de um troço da rede ou para controlo do fluxo que passa
num determinado ponto. Estes acessórios devem ser corretamente dimensionados ao local onde serão
colocados e devem ser estudados de forma a evitar perdas de carga desnecessárias. Existem
diferentes tipos de válvulas para os diferentes pontos onde estas serão colocadas.
Figura 13 - Exemplo de cotovelo de uma rede de ar comprimido.
(Legris - Transair, 2005)
29
Válvulas de Globo
São utilizadas para regulação do fluxo e, como tal, devem ser minimizadas devido às perdas
de cargas que provocam na corrente, Figura 14.
Válvulas de Esfera
Este tipo de válvulas, Figura 15, é o mais aconselhado para as redes de ar comprimido. As
válvulas de esfera são válvulas de corte e, como tal, apenas têm duas posições, ou totalmente abertas
ou totalmente fechadas. Este tipo de válvulas tem uma perda de carga muito inferior às anteriormente
mencionadas.
a) b) c) d)
Figura 14 - Válvula globo a) Totalmente aberta; b) e c) Semiaberta; d) Totalmente fechada. (The Flow Control Valves,
2016)
Figura 15 - Válvula de esfera. (Volk Flow
Controls Inc., 2003)
30
Válvulas de Cunha
As válvulas de cunha, Figura 16, são muito semelhantes às válvulas de globo, pois o seu
funcionamento resume-se a duas posições, totalmente abertas ou totalmente fechadas. No entanto, a
válvula de globo possui uma maior durabilidade e necessita de menos intervenções.
2.2.2.4. Filtro-Regulador-Lubrificador (FRL)
Para garantir a qualidade do ar à entrada dos equipamentos de uso final são utilizados FRL,
Figura 17. Como o nome indica, este equipamento filtra, regula e lubrifica o ar comprimido antes de
entrar nos equipamentos.
A filtração serve para remover as partículas que foram arrastadas pelo ar ao longo do percurso
desde a produção e também retém a condensação que se formou. A regulação serve para atenuar as
variações de pressão que existam na rede e garantir que a pressão que é alimentada ao equipamento
é constante. A lubrificação serve para colocar no ar comprimido uma percentagem de óleo que irá
diminuir o atrito e lubrificar os equipamentos por onde o ar passa, aumentando-lhes o tempo de vida.
(PneumaticTips, 2012)
Figura 16 - Válvula de cunha. (The
Free Dictionary, 2003)
Figura 17 - Filtro-Regulador-Lubrificador.
(Draper Tools, 2016)
31
2.2.2.5. Purgadores
Os Purgadores são utilizadas para reter a condensação ao longo da tubagem de ar comprimido.
Estas devem ser colocadas nos pontos mais baixos da rede para aproveitar a ação gravítica para a
recolha de condensados. Devem também ser colocadas com distâncias entre elas de cerca de 20-30
metros. (Parker Hannifin Corporation, 2006)
A seleção do tipo de purgador é essencial para a remoção correta de condensados. O
dimensionamento deficitário ou uma manutenção descuidada podem comprometer as mais-valias
concedidas por um purgador.
Válvulas Solenoides Elétrico
Estas válvulas, Figura 18, estão programadas para abrir durante um determinado período de
tempo, removendo todos os condensados existentes. Estas válvulas são vantajosas devido à reduzida
manutenção que acarretam. Contudo, só devem ser utilizadas em redes muito bem dimensionadas,
pois se a válvula estiver aberta tempo a mais, será desperdiçado ar desnecessário e, se pelo contrário,
estiver aberta tempo a menos, os condensados não serão removidos na totalidade e existirá uma
acumulação de condensados na rede.
Figura 18 - Purgador de válvula solenoide.
(Jefferson)
32
Válvulas Flutuador Mecânico
Os condensados são enviados para um reservatório pulmão e quando atingido um nível, o
flutuador sobe, eliminando os condensados. Este tipo de purgador, Figura 19, requer uma grande
manutenção, pois um pequeno desajuste no flutuador irá originar uma grande perda de ar comprimido.
Purgador de Válvula Manual
Estos Purgadores são as que contêm a configuração mais simples, e como tal são também as
mais económicas. Consistem num depósito colocado na rede de ar comprimido que tem uma válvula
manual na sua base. Para este tipo de Purgadores é necessário a execução de rotinas de forma a
garantir que a remoção de condensados é feita de forma periódica.
2.3. O Consumo de Ar Comprimido
O ar comprimido é a forma de transformação da energia elétrica em energia mecânica. Esta
transformação é bastante benéfica para a indústria, pois permite a sua utilização em situações em que
nenhuma outra pode ser utilizada. O ar comprimido é utilizado na pneumática, ou por outras palavras,
na “transmissão de potência através de atuadores”. (Novais, 2014)
A pneumática é bastante vantajosa por ser mais simples e por ter maior rendimento. Pode
também considerar-se uma vantagem o baixo custo de utilização, quando bem mantida, o que nem
sempre se verifica. (Fialho, 2003)
Com o ar comprimido, por ser proveniente do ar atmosférico, não há risco de poluição
ambiental. Como tal, nas indústrias farmacêutica e alimentar, em que as restrições são elevadas, o ar
comprimido é uma fonte de energia bastante requerida.
Em indústrias que têm atmosferas explosivas, vulgarmente denominadas de zonas ATEX, o
perigo de explosão é elevado, devido à natureza dos materiais que se trabalham. Assim, neste tipo de
indústrias, o ar comprimido é uma das energias utilizadas, pois minimiza o risco de explosão por não
Figura 19 - Purgador de válvula flutuador. (Kaeser
Compressors, 2015)
33
ser fonte de ignição e permite a utilização de ferramentas pneumáticas que facilitam o trabalho dos
operadores fabris. (IndusMelec, 2013 )
O ar comprimido está entre as quatro utilidades mais requeridas na indústria. Como uma das
suas principais matérias-primas é o ar atmosférico, logo abundante, a sua produção não é posta em
causa. É também uma utilidade requisitada devido à sua facilidade de transporte e armazenamento.
Contudo, o ar comprimido é uma das utilidades em que mais se desperdiça energia. Ao longo
de dez anos de trabalho de um compressor, cerca de 70% do custo total refere-se à energia elétrica
consumida (Figura 20).
Da energia elétrica consumida por um compressor, apenas 15% é utilizada diretamente para a
produção de ar comprimido. A restante energia é perdida na forma de calor, fricção, má utilização e
ruído (Figura 21). (Electrical Energy Equipment: Compressors and Compressed Air Systems, 2006)
Para minimizar os desperdícios nos sistemas de ar comprimido é importante uma gestão
correta da rede de ar comprimido, estando sempre atualizado e adaptando o sistema às melhorias
existentes.
Figura 20 - Distribuição de custos em compressores durante 10 anos.
(Carbon Trust, 2005)
Figura 21 - Distribuição da energia fornecida para o processo de compressão.
(Compressed air systems' waste heat improves plant economics, 2011)
34
Tendo em conta que 90% das indústrias instaladas utilizam ar comprimido como utilidade
direta ou indiretamente, e que 3% da energia elétrica consumida nas indústrias europeias é destinada
à produção de ar comprimido, a sua otimização é fundamental. (Silvent, 2013)
A produção de ar comprimido, apesar de não ser dos custos mais significativos nas indústrias,
é aquele que contém uma margem de otimização maior e, por este motivo, é uma de oportunidades de
aumentar a margem de lucro empresarial. (Radgen, et al., 2001)
2.3.1. Medidas Para Otimizar Redes de Ar Comprimido
Para a otimização de uma rede de ar comprimido primeiramente é necessário conhecer a rede
existente e as capacidades dos equipamentos que nela estão inseridos. Para isso é importante recorrer
às especificações dos equipamentos de produção e tratamento de ar comprimido e verificar se todas
as potencialidades estão a ser utilizadas. É fundamental também analisar os constituintes da rede de
distribuição e as condições em que ela opera.
Depois de analisada a rede que se está a otimizar é necessário avaliar os pontos que são
possíveis de melhorar. Estes pontos encontram-se referidos em inúmeras bibliografias e estão
resumidos na Figura 22.
2.3.1.1. Pontos de Fuga
A redução dos pontos de fuga é das medidas mais rápidas de executar. As fugas em redes de
ar comprimido excelentemente mantidas não ultrapassa os 5% e em redes com baixa manutenção
pode atingir os 20% da produção total de ar comprimido. (Atlas Copco, 2015)
A eliminação de fugas é conseguida a partir de uma inspeção cuidada de toda a rede de ar
comprimido e reparação ou substituição dos materiais obsoletos. A inspeção de fugas nem sempre é
fácil, pois em zonas industriais ruidosas, ou quando as fugas são de pequenas dimensões, a deteção
não é possível. Por este motivo, inúmeros fabricantes comercializam equipamentos de deteção de
fugas por ultrassons (Figura 23).
Figura 22 - Distribuição de utilização e potenciais pontos de melhoria de redes de ar comprimido.
(Sustainability Victoria, 2009), (Atlas Copco, 2012)
35
A aquisição deste tipo de equipamentos é rentável pois podem ser utilizado posteriormente
para manutenção da rede e rotinas de inspeção.
Rotinas de Inspeção
As rotinas de inspeção são uma das estratégias utilizadas na metodologia Kaizen® para
implementação da Manutenção Autónoma. A Manutenção Autónoma consiste em criar ferramentas
para que quem trabalha diariamente com os equipamentos esteja capacitado a realizar algum tipo de
manutenção preventiva, de forma a minimizar os problemas e proporcionar reparações rápidas e de
menor dimensão e custo. (Kaizen Institute, 2016)
Para uma correta implementação de Manutenção Autónoma existem vários passos a seguir,
como está esquematizado na Figura 24.
Inicialmente é importante “restaurar a condição inicial do equipamento”. No caso da rede de ar
comprimido consiste em verificar toda a rede, desde os equipamentos de produção até diversos pontos
de uso final. Neste ponto, não se considera a substituição de equipamento, mas sim a tentativa de
colocar a rede nas melhores condições possíveis para a empresa.
Figura 23 - Equipamento de deteção de fugas.
(Sonotec, 2016)
Figura 24 - Passos para a implementação de rotinas de inspeção.
(Kaizen Institute, 2016)
36
De seguida é feita uma análise de pontos que possam afetar o funcionamento da rede e eliminá-
los.
Por fim são construídas as rotinas de inspeção. Esta ação consiste em criar circuitos que
cobrem determinadas zonas da rede de ar comprimido e na programação da realização das inspeções.
Nestes circuitos, é verificado o estado da rede e assinaladas todas as reparações ou substituições
necessárias.
No caso das redes de ar comprimido industriais, existe algum material específico que deve ser
utilizado, como por exemplo, uma lanterna e um detetor de fugas, como o referido anteriormente.
Depois de construídas e planeadas as rotinas de inspeção é necessário dar formação aos
operadores. Esta formação deve incidir em pontos técnicos, tais como a manutenção dos equipamentos
e a utilização de ferramentas técnicas, não esquecendo que é importante explicitar a pertinência da
Manutenção Autónoma e como deve ser feita, para que sejam obtidos resultados.
Na implementação destas rotinas deve-se analisar quais os pontos da rede mais deficitários
em manutenção e optar por iniciar as rotinas por estes pontos. Assim os resultados obtidos serão
visíveis mais rapidamente e a motivação para a execução de Manutenção Autónoma torna-se mais
simples.
Esta ação pode gerar economias de energia entre os 15 a 50%. (Voltimum, 2009)
2.3.1.2. Eliminação de pontos obsoletos
Em ambientes industriais, é natural existirem diversas melhorias aos processos principais, ou
seja, existem equipamentos que se tornam inutilizados e o aparecimento de novos. Assim, as redes de
utilidades, como é o caso do ar comprimido, têm de se adaptar a estas alterações.
Estas alterações conduzem à existência de zonas da rede de ar comprimido que se tornam
obsoletas, isto é, zonas que já não são utilizadas e que por este motivo não são necessárias. Assim, a
eliminação destes pontos reduz a dimensão da rede de ar comprimido, diminuindo os pontos com
probabilidade de fuga e os pontos com necessidade de manutenção.
Esta ação não irá gerar economias visíveis e quantificáveis, mas irá evitar investimentos
desnecessários a longo prazo.
2.3.1.3. Correção da Pressão de Trabalho
A pressão de trabalho de um sistema de ar comprimido é definida pelos equipamentos de uso
final. O equipamento que requer maior pressão de trabalho será o que irá definir o valor da pressão de
trabalho. O valor da pressão requerida nos equipamentos é definido pelos fornecedores dos mesmos.
A redução de 1 bar na pressão de trabalho poderá originar até 8% de economia de energia.
(Voltimum, 2009)
37
2.3.1.4. Recuperação de Calor
Como esquematizado na Figura 21, existe uma grande oportunidade de reaproveitar o calor
gerado na produção de ar comprimido. O calor pode ser recuperado instalando permutadores de calor
para o aquecimento de ar ambiente ou para o aquecimento de fluídos necessários para os processos
industriais (Figura 25).
Esta ação pode gerar economia de cerca de 60% da energia produzida. (Voltimum, 2009)
2.3.1.5. Diminuição da Temperatura de Admissão
A temperatura do ar de admissão é a temperatura ambiente da sala onde se encontram os
compressores. A temperatura do ar influencia a quantidade de ar que é admitida ao compressor. Por
este motivo, quanto menor for a temperatura de admissão, maior será a quantidade de ar alimentado
por unidade de tempo o que irá produzir maior quantidade de ar comprimido por unidade de tempo.
Assim, por cada 4 C reduzidos à temperatura de admissão irá reduzir-se 1 % na energia
consumida. (Electrical Energy Equipment: Compressors and Compressed Air Systems, 2006)
2.3.1.6. Ajuste da Humidade e de Impurezas
A humidade e as impurezas que se encontram no ar de admissão têm de ser removidas de
acordo com as necessidades dos equipamentos de uso final. Contudo, um tratamento excessivo do ar
comprimido torna-se um gasto desnecessário e perdas de carga elevadas. Assim, é importante verificar
qual o equipamento com a especificação mais restrita e adequar o tratamento.
Esta ação pode economizar até 5% de energia. (Voltimum, 2009)
2.3.1.7. Colocação de Reservatórios pulmão de Ar Comprimido
Figura 25 - Exemplos de utilização do calor reaproveitado na produção de ar comprimido.
(Voltimum, 2009)
38
Existem equipamentos que, devido à sua utilização, a sua necessidade é bastante variável.
Para evitar arranques desnecessários dos compressores aconselha-se a colocação de reservatórios
pulmão para colmatar as necessidades destes equipamentos.
Esta ação não desencadeia economias diretamente mensuráveis, mas evita o arranque
repetido dos compressores, reduzindo a energia desperdiçada nos arranques desnecessários.
(Voltimum, 2009)
2.3.1.8. Criação de Alternativas ara Aspiração
O ar comprimido é bastante solicitado como acessório de limpeza, pois, devido à força com
que o ar circula, é bastante utilizado para eliminação de poeiras. Este tipo de utilização não é a mais
aconselhada, pois o ar comprimido apenas levanta as partículas e é uma fonte de patologias
respiratórias para o utilizador.
Assim, neste tipo de utilização aconselha-se o uso de aspiradores elétricos, que além do
benefício para as condições de trabalho dos operadores, contribui com cerca de 40% para a economia
energética. (Voltimum, 2009)
2.3.1.9. Manutenção de Filtros e Purgadores
Filtros e purgadores são pontos com elevada perda de carga, como tal exigem uma
manutenção elevada. A acumulação de impurezas nos filtros é um ponto de perdas de carga.
Assim, é importante uma manutenção periódica neste tipo de equipamentos, de forma a
diminuir as perdas de carga e economizar cerca de 2% de energia.
Com estas medidas é possível reduzir e rentabilizar a energia consumida na produção de ar
comprimido, otimizando o sistema e melhorando a qualidade do ar que nele circula.
39
3. Análise de Caso Prático – Iberol S.A.
A Iberol S.A. usufrui de uma rede de ar comprimido bastante vasta e com bastante importância
para o funcionamento dos processos. A rede de ar comprimido permite a utilização de raseiras
oscilantes nos silos mistos, a utilização de electroválvulas para controlo processual, entre outros pontos
essenciais.
Estima-se que a empresa gaste cerca de 35 000 € por ano em produção de ar comprimido e
cerca de 10 000 € por ano em manutenção de compressores. Por este motivo é de todo o interesse
analisar a rede de ar comprimido existente e os pontos de melhoria possíveis.
3.1. Rede de Ar Comprimido Existente
Como referido, a rede de ar comprimido na empresa é vasta. Como tal é fundamental saber
todos os caminhos percorridos pelas tubagens e quais as origens e destinos das mesmas.
Anteriormente a Julho de 2015 o conhecimento em registo sobre a rede de ar comprimido da
Iberol era quase inexistente. Os pontos conhecidos da rede cingiam-se à sala de produção de ar
comprimido e ao funcionamento dos compressores.
Com isto, e de forma a atenuar esta situação, foi iniciado o estudo da rede de ar comprimido.
Para isso recorreu-se à colaboração de um estagiário de curta duração para que fosse possível mapear
toda a rede de ar comprimido.
Assim, no decorrer dos meses de Julho e Agosto, foi possível mapear grande parte da rede de
ar comprimido.
No início do mês de Setembro, com a integração no trabalho a desenvolver, foi terminado o
mapeamento e verificaram-se todos os pontos de forma a garantir que todos os percursos estavam
corretamente representados, Anexo II. Para uma correta análise posterior da rede de ar comprimido,
foram identificados os diâmetros das tubagens e os materiais.
3.1.1. Sala de Produção de Ar Comprimido
A sala de produção de ar comprimido situa-se no extremo norte da unidade fabril, Anexo I –
21, contígua com a central de vapor e o armazém de manutenção.
Para a produção de ar comprimido estão disponíveis cinco compressores rotativos, onde um
deles contem um variador de velocidade que permite a adaptação da quantidade de ar comprimido
produzida às necessidades existentes em cada momento (Tabela 3).
40
Tabela 3 - Especificações dos compressores existentes. (Atlas Copco)
Compressor Marca Potência
(kW)
Caudal volumétrico
(m3/min)
Pressão de trabalho
(bar)
GA 18 FF Atlas Copco 18 2,37 – 3,39 7,3 – 12,8
GA 37 Atlas Copco 37 5,1 – 7,3 7,5 – 13
GA 37 VSD Atlas Copco 37 1,6 – 7,4 4 – 13
GA 30 Atlas Copco 30 4,3 – 5,9 7,5 – 13
GA 15 Atlas Copco 15 1,94 – 2,74 7,5 – 13
A gestão da utilização dos compressores é feita consoante as necessidades de ar comprimido.
O compressor principal é o compressor GA 37 VSD, por ser um compressor com variador de
velocidade. O variador de velocidade permite o ajuste do caudal às necessidades do sistema e que
exista uma economia de energia associada a esse ajuste. Quando o caudal máximo atingido pelo
compressor GA 37 VSD não é suficiente para as necessidades dos processos, o compressor GA 37 é
ligado ao caudal máximo e o caudal do GA 37 VSD é ajustado ao valor em défice.
Assim o ar atmosférico é alimentado aos compressores. O ar comprimido produzido a 7 bar
segue para os reservatórios pulmão. O ar comprimido antes de seguir para o consumidor final é
alimentado a um secador, Tabela 4, para retirar a humidade existente, e por filtros coalescedores,
Tabela 5, para remoção de partículas.
Tabela 4 - Especificações do secador de ar comprimido existente. (Atlas Copco)
Marca Modelo
Caudal volumétrico
máximo à saída
(m3/min)
Perda de
carga
(bar)
Pressão de
trabalho máxima
(bar)
Consumo de
energia
(kW)
Atlas
Copco FD 280 16,8 0,24 13
3,7
Tabela 5 - Especificações filtro de ar comprimido existente. (Atlas Copco)
Marca Modelo Caudal volumétrico
(m3/min)
Atlas Copco DD 280 16,8 – 21
Atlas Copco PD 280 16,8 – 21
41
Teoricamente, obtém-se ar comprimido a alimentar os equipamentos de uso final com as
especificações indicadas na Tabela 6.
Tabela 6 - Qualidade do ar comprimido obtida. (Atlas Copco)
Componente Classe qualidade obtida
Água 4
Partículas 1
Óleo 1
3.1.1.1. Caracterização do Ar Atmosférico Alimentado e do Ar Comprimido
Produzido
Com o objetivo de avaliar as condições de trabalho, foram medidos alguns parâmetros do ar
atmosférico à entrada dos compressores e do ar comprimido à saída do filtro. Para isso, recorreu-se a
um equipamento disponível em armazém, Figura 26, e foi possível medir a temperatura, o ponto de
orvalho e a humidade relativa.
Após a recolha dos dados que se encontram nos Anexos III e IV, foi possível verificar os valores
máximos e mínimos atingidos e o valor médio para cada parâmetro nos dois pontos. Estes valores
encontram-se na Tabela 7 e Tabela 8.
Figura 26 - Medidor de temperatura e
humidade do ar. (Amprobe)
42
Tabela 7 - Resumo de dados recolhidos para o ar atmosférico.
Ar atmosférico
Pressão atmosférica
(bar)
Temperatura
(C) %Hrelativa
Ponto de orvalho
(C)
Máximo 1,03 24,60 77,10 17,60
Mínimo 1,02 17,80 32,80 4,20
Valor médio 1,03 21,14 53,70 11,03
Tabela 8 - Resumo de dados recolhidos para o ar comprimido.
Ar comprimido
Pressão do compressor
(bar)
Temperatura
(C) %Hrelativa
Ponto de orvalho
(C)
Máximo 7,90 21,50 28,80 1,70
Mínimo 7,70 12,40 9,40 -15,70
Valor médio 7,83 16,86 16,66 -8,84
3.1.2. Distribuição de Ar Comprimido
A distribuição de ar comprimido na unidade fabril é feita por tubagens de aço carbono e por
tubagens flexíveis.
A rede é composta por válvulas de corte de globo, cunha e esfera, dois reservatórios pulmão,
filtros-reguladores-lubrificadores, Purgadores e indicadores de pressão, como representados nos
diagramas do Anexo II.
Como referido anteriormente, a rede de ar comprimido é alimentada aos diversos equipamentos
da unidade, Figura 27.
43
3.1.3. Consumo de Ar Comprido
O consumo de ar comprimido na Iberol S.A. não é diretamente mensurável. Existe uma forma
indireta de estimativa de consumo a partir do consumo de energia da sala de produção de ar
comprimido. No consumo de energia da sala de produção de ar comprimido é conseguido através da
leitura do contador de energia.
O contador de energia referido engloba o consumo energético dos equipamentos relativos à
produção de água osmotizada. Por este motivo, a forma de obter um consumo de energia para a
produção de ar comprimido mais aproximado do valor real será retirando o consumo energético relativo
à produção de água osmotizada.
A estimativa do consumo energético referente a cada secção é um ponto fundamental para
definir a estratégia a ter na otimização da rede de ar comprimido.
3.1.3.1. Testes Práticos ao Consumo de Ar Comprimido
Uma forma de estimar os consumos de ar comprimido será pela realização de testes com
diferentes cenários de consumo, fazendo leituras consecutivas dos contadores energéticos.
Como referido anteriormente, ao longo da rede existem dois depósitos de ar comprimido que
permitem o isolamento de determinadas zonas da rede. Com estes depósitos, é possível cortar a
alimentação de ar comprimido aos silos mistos, à preparação e à extração.
Assim foi criado um esquema da estratégia a tomar, Figura 28.
Sala de produção de ar
comprimido
Manutenção
Central de Vapor
Parque de Tanques
UPB
Extracção Preparação
Silos Armazéns
Figura 27 - Esquema de distribuição da rede de ar comprimido na unidade fabril.
44
A estratégia a tomar consiste em isolar os diferentes consumidores fazendo contagens em
intervalos de tempo controlados, t1. Como só é possível isolar dois dos consumidores, a Preparação-
Extração (P/E) e os silos Mistos e Armazéns (SM/A), existe um grupo de consumidores que não será
possível determinar, a UPB, Central de Vapor, Parque de Tanques e Manutenção (UPB+CV
+PT+Manut).
A Ação 1 consiste em determinar o consumo energético do grupo maior, isto é,
UPB+CV+PT+Manut, fechando ambos os reservatórios pulmão e assim toda a energia consumida será
direcionada para abastecer estas duas secções, Equação 2.
𝐸𝑈𝑃𝐵+𝐶𝑉 = 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 2 − 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 1 Equação 2
Contagem 4
- Fazer leitura
de contadores
de energia
Ação 3
- Fechar o reservatório pulmão
de ar comprimido da
Preparação – Extração;
- Abrir o reservatório pulmão de
ar comprimido dos Silos Mistos
e Armazéns.
Contagem 5
- Fazer leitura
de contadores
de energia
t1
Contagem 6
- Fazer leitura
de contadores
de energia
t2
Ação 4
- Abrir o reservatório pulmão
de ar comprimido da
Preparação – Extração;
- Abrir o reservatório pulmão de
ar comprimido dos Silos Mistos
e Armazéns.
t2
Contagem 7
- Fazer leitura
de contadores
de energia
Contagem 8
- Fazer leitura
de contadores
de energia
t1
Ação 1
- Fechar o reservatório pulmão
de ar comprimido da
Preparação – Extração;
- Fechar o reservatório pulmão
de ar comprimido dos Silos
Mistos e Armazéns.
Contagem 1
- Fazer leitura
de contadores
de energia
t1
Contagem 2
- Fazer leitura
de contadores
de energia
Ação 2
- Abrir o reservatório pulmão
de ar comprimido da
Preparação – Extração;
- Fechar o reservatório pulmão
de ar comprimido dos Silos
Mistos e Armazéns.
t2
Contagem 3
- Fazer leitura
de contadores
de energia
t1
Figura 28 - Esquema de estratégia de testes de consumo energético, onde t1 é o intervalo de tempo de teste e t2 é o intervalo de tempo entre
testes.
45
Com o valor obtido anteriormente, é possível determinar os consumos dos outros
consumidores. Para isso, primeiramente abre-se o reservatório pulmão que alimenta a P/E, Ação 2.
Para a leitura inicial, Contagem 5, é necessário deixar o sistema estabilizar, t2, para que sejam repostas
as condições iniciais do sistema. Desta forma é possível determinar o consumo de P/E de acordo com
a Equação 3.
𝐸𝑃/𝐸 = (𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 4 − 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 3) − 𝐸𝑈𝑃𝐵+𝐶𝑉 Equação 3
Para o consumo energético para a produção de ar comprimido para o consumidor SM/A, Ação
3, o procedimento é semelhante ao procedimento executado para o consumidor P/E, mas utilizando a
Equação 4.
𝐸𝑆𝑀/𝐴 = (𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 6 − 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 5) − 𝐸𝑈𝑃𝐵+𝐶𝑉 Equação 4
De forma a verificar todos os valores anteriormente calculados recorre-se à Ação 4. A
confirmação destes valores é feita se a igualdade representada na Equação 5 for cumprida.
𝐸𝑆𝑀/𝐴 + 𝐸𝑈𝑃𝐵+𝐶𝑉 + 𝐸𝑃/𝐸 = (𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 8 − 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 7) Equação 5
Para a seleção dos tempos corretos para se obter resultados coerentes, é necessário avaliar a
sensibilidade da evolução dos contadores energéticos.
A sensibilidade dos contadores pode ser avaliada retirando valores dos contadores de dias
semelhantes e verificando a variação que ocorre. Com esta variação pode-se calcular o tempo
necessário para realizar os testes.
Para a avaliação dos contadores energéticos recorreu-se ao histórico das leituras dos
contadores. Os dias selecionados para a avaliação foram dias em que as produções das várias secções
são similares às produções previstas para os dias de testes.
Assim, foram selecionados 12 dias, num histórico de quatro anos, Anexo V. É importante referir
que os algarismos visíveis nos contadores são os seis primeiros, os restantes referem-se a acertos de
unidades. Em seguida, foi analisada a sua evolução horária, de modo a determinar qual o número de
horas necessárias. Para que a evolução do contador seja visível é necessária a evolução do sexto
algarismo. Verificou-se que o tempo ideal de teste seria de cerca de dez horas de análise, isto é, t1 =
10 horas.
A determinação do valor de t2 é um pouco mais subjetiva. Assim, é importante garantir que a
evolução do contador é de um dígito, para que não haja erros devido aos valores de perdas. Assim, o
valor mínimo de t2 será de três horas, isto é, t2 = 3 horas.
46
Após esta análise, verificou-se que, para que o teste seja feito com as mesmas condições de
trabalho em todas as etapas, é necessário que a unidade fabril mantenha as mesmas condições
durante 49 horas consecutivas, ou seja dois dias. Como é necessário uma repetição dos testes para
confirmação dos valores obtidos no primeiro, o tempo necessário do ensaio é de 98 horas, ou seja
quatro dias.
As condições necessárias para o teste incluem a paragem dos processos de preparação e
extração e também a paragem de todas as cargas e descargas de materiais, pois os cortes de ar
comprimido implicam a inutilização dos equipamentos.
Como não foi possível obter as condições ideais para o teste durante as 78 horas necessárias,
optou-se por efetuar um teste com tempos inferiores. Para este teste, utilizaram-se intervalos entre
contagens de duas horas, t1 = 2 horas, e tempos de intervalos entre testes de quinze minutos, t2 = 0,25
horas.
No entanto, os valores obtidos não foram concordantes e não permitiram obter consumos de
ar comprimido. Contudo, ficou verificado que os tempos iniciais são os mais adequados para a
execução de ensaios futuros.
3.1.3.2. Modelo de Estimativa de Consumos de Ar Comprimido
Um outro método de determinação de consumos de ar comprimido é com base no histórico de
consumos.
Neste modelo, o objetivo é atribuir consumos de ar comprimido de acordo com os consumos e
produções de matérias-primas e produtos. Para isso, foi possível reunir consumos de matérias-primas,
produções e consumos energéticos associados. Foi possível construir um histórico desde setembro de
2013 (Figura 29).
0
500
1000
1500
2000
2500
09/2
013
12/2
013
04/2
014
07/2
014
10/2
014
01/2
015
05/2
015
08/2
015
11/2
015
kWh
Figura 29 - Histórico de consumos energéticos diários, os valores do eixo das ordenadas
encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
47
Como se verifica no gráfico da Figura 29, existe uma queda no consumo energético de ar
comprimido no final de 2013 que se mantém até à atualidade. A elevação do consumo durante o período
de 2013 pode dever-se a utilização de ferramentas pneumáticas para execução de obras de unidade
fabril ou por outro motivo que levou ao consumo excessivo de ar comprimido. Por este motivo, optou-
se por não incluir os dados relativos ao período em questão.
Assim, os valores considerados para a construção do modelo foram de 6 de Fevereiro de 2014
a 30 de Dezembro de 2015. Optou-se por utilizar os consumos a partir de 31 de Dezembro de 2015
para testar o modelo obtido.
0
500
1000
1500
2000
2500
09/2
013
12/2
013
04/2
014
07/2
014
10/2
014
01/2
015
05/2
015
08/2
015
11/2
015
kWh
Figura 30 - Representação de pontos diários não incluídos no modelo, os valores do eixo das
ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
48
Para a criação do modelo, os dias correspondentes a arranques e paragens também devem
ser desprezados pois são dias de consumos elevados de ar comprimido e que não correspondem ao
consumo real corrente. Para avaliar o consumo ou produção normal de cada processo, calcularam-se
quais os outliers de cada distribuição normal.
Os outliers são os pontos que se encontram desviados da distribuição normal dos pontos
experimentais. Para o cálculo destes pontos utilizou-se o método do desvios-quartil. Assim, calculou-
se, para cada conjunto de dados, a mediana, o quartil inferior e o quartil superior. Estes cálculos podem
ser representados por gráficos Boxplot (Figura 32; Figura 33).
0
200
400
600
800
100 0
120 0
140 0
160 0
180 0
02
/20
14
05
/20
14
08
/20
14
12
/20
14
03
/20
15
06
/20
15
10
/20
15
ton
/h
Produção óleo neutro Produção Biodiesel GS consumido Farinha
GS consumido fullfat SC consumida
Figura 31 - Consumos e produções diárias dos diferentes processos, GS – Grão de Soja; SC – Semente de Colza, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de
confidencialidade.
49
A avaliação dos pontos seguiu alguns critérios, os quais são, seguidamente, reportados.
Considerou-se a produção do óleo neutro como um todo, em vez de os especificar por tipo de
óleo, pois estes são produzidos com base numa determinada composição definida de acordo com o
cliente a que se destinam.
Figura 32 - Modelo de Boxplot. (Silva, 2011)
02
/20
14
05
/20
14
08
/20
14
12
/20
14
03
/20
15
06
/20
15
10
/20
15
01
/20
16
0
200
400
600
800
100 0
120 0
140 0
160 0
180 0
ProduçãoBiodiesel
GS consumidoFarinha
GS consumidofullfat
SC consumida Produção óleoneutro
ton
/h
Produção óleo neutro Produção Biodiesel GS consumido Farinha
GS consumido fullfat SC consumida
Figura 33 - Gráficos Boxplot para os diferentes consumos e produções diários, os valores do eixo
das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
50
Quanto à semente de colza e ao grão de soja, por não ser fácil e rigorosa a medição da
produção do processo, optou-se por se basear na semente consumida em cada um dos casos.
Assim, depois de retirar os outliers a cada processo, obteve-se o gráfico da Figura 35.
Após esta análise, é importante também ter em conta os dias de uso extraordinário de ar
comprimido devido a obras ou para trabalhos inesperados. A forma de analisar esses pontos é fazendo
02
/20
14
05
/20
14
08
/20
14
12
/20
14
03
/20
15
06
/20
15
10
/20
15
01
/20
16
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
100 0
105 0
110 0
115 0
120 0
125 0
130 0
135 0
140 0
145 0
150 0
155 0
160 0
165 0
170 0
175 0
180 0
ProduçãoBiodiesel
GS consumidoFarinha
GS consumidofullfat
SC consumida Produção óleoneutro
ton
/h
Produção óleo neutro Produção Biodiesel GS consumido Farinha
GS consumido fullfat SC consumida
Figura 35 - Gráficos Boxplot para os diferentes consumos e produções diárias removendo os
outliers, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de
confidencialidade.
02
/20
14
05
/20
14
08
/20
14
12
/20
14
03
/20
15
06
/20
15
10
/20
15
0
200
400
600
800
100 0
120 0
140 0
160 0
180 0
200 0
kWh
Figura 34 - Gráficos Boxplot para o consumo de energia elétrica diários, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
51
uma avaliação aos outliers semelhante à executada anteriormente, mas para a energia elétrica
consumida na sala de produção de ar comprimido (Figura 34).
Na Figura 36, encontram-se os pontos que foram considerados para o modelo, removendo os
outliers anteriormente mencionados.
O modelo a construir tem como objetivo o cálculo dos consumos de ar comprimido específicos
para cada processo e também a estimativa de energia desperdiçada em fugas de ar comprimido. Para
isso, foram assumidos alguns pressupostos:
O valor correspondente ao desperdício energético em fugas de ar comprimido é
constante, isto é, é independente dos processos a operar, pois a pressão nas tubagens
e a dimensão dos orifícios são constantes;
A eficiência dos compressores é um valor percentual constante.
Para a construção do modelo, visto que o contador de energia elétrica não é apenas dos
compressores e engloba também o secador de ar comprimido, é necessário ter em conta alguns outros
parâmetros. Assim, o modelo irá englobar os parâmetros descritos na Equação 6.
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠 + 𝐸𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 [𝑘𝑊ℎ] Equação 6
A energia gasta pelos compressores tem em conta tanto a energia transferida para o ar
comprimido na compressão mas também a energia desperdiçada devido à ação de compressão.
Estima-se que cerca de 70% da energia gasta por um compressor é desperdiçada de inúmeras formas.
02
/20
14
05
/20
14
08
/20
14
12
/20
14
03
/20
15
06
/20
15
10
/20
15
0
200
400
600
800
100 0
120 0
kWh
Figura 36 - Gráficos Boxplot para o consumo de energia elétrica diários removendo os outliers, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
52
A energia gasta para o ar comprimido é também desperdiçada em fugas e perdas de ar comprimido ao
longo da rede. (Carbon Trust, 2005)
Assim, a energia dos compressores engloba a energia gasta por cada processo, a energia
desperdiçada na ação de compressão e a energia desperdiça para a produção de ar comprimido para
alimentar fugas. Na Equação 7, representa-se 𝑚𝑖 como o consumo de energia específico de cada
processo e Qi como o consumo ou produção do processo correspondente.
𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠 = ∑(𝑚𝑖 × 𝑄𝑖) + 𝐸𝑓𝑢𝑔𝑎𝑠 [𝑘𝑊ℎ] Equação 7
A energia despendida pelo secador não é possível estimar. Contudo pode-se estimar o seu
valor de acordo com a especificação do fabricante para a sua potência. A potência definida pelo
fabricante, como referido na Tabela 4, é de 3,7 kW. Com este valor, é possível estimar o consumo
sabendo o tempo de trabalho do equipamento.
Todo o ar comprimido alimentado aos equipamentos da unidade fabril é alimentado ao secador
que se encontra na sala de produção de ar comprimido. O ar comprimido para alimentação da unidade
fabril está armazenado nos reservatórios pulmão também localizados na sala de produção de ar
comprimido.
Assim, pode-se admitir que o secador está em funcionamento 24 horas por dia, pois todas as
oscilações de pressão na rede implicam a passagem de ar comprimido no secador.
O tempo de trabalho não pode ser similar ao tempo de trabalho dos compressores, pois os
compressores só trabalham quando a pressão nos depósitos de ar comprimido baixa até ao valor de
Set-Point definido nos compressores. Outro ponto que diferencia o tempo de trabalho dos
compressores como do secador é a potência de trabalho. Enquanto que o secador tem uma potência
constante, os compressores têm uma potência variável, isto é, se apenas estiver o compressor GA 37
VSD a trabalhar, a potência varia entre 0 e 37 kW, se estiver o compressor GA37 e o compressor GA
37 VSD em funcionamentos, a potência de trabalho varia entre 37 e 74 kW.
𝐸𝑆𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 × 𝑡𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 [𝑘𝑊ℎ] Equação 8
Assim, sabe-se que a energia consumida no secador é um valor constante de 88,8 kWh.
Por fim, o último parâmetro a considerar no modelo a construir é a eficiência dos compressores.
Sabe-se que a eficiência no processo de compressão é significativamente baixa. Como referido
anteriormente, grande parte da energia consumida num compressor é dissipada na forma de calor.
Com isto, é importante no modelo colocar o parâmetro de eficiência no modelo pois representa grande
parte do consumo energético.
𝐸 𝑑𝑖𝑠𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠
= (∑(𝑚𝑖 × 𝑄𝑖)) × (1 − 𝜂)[𝑘𝑊ℎ] Equação 9
Assim, o modelo a construir será representado segundo a Equação 10.
53
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = ∑(𝑚𝑖 × 𝑄𝑖) + 𝐸𝑓𝑢𝑔𝑎𝑠 + 88,8 + (∑(𝑚𝑖 × 𝑄𝑖)) × (1 − 𝜂) [𝑘𝑊ℎ] Equação 10
Para a determinação das variáveis do modelo foi utilizado o Método dos Mínimos Quadrados.
O Método dos Mínimos Quadrados consiste no ajuste de um conjunto de pontos de modo a
que a soma do quadrado da diferença entre o valor experimental e o valor real seja o menor valor
possível, fazendo variar os parâmetros a estimar. (Helene, 2013)
𝑎 = ∑ (𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎
− 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙
)𝑧
2
Equação 11
Para isso, utilizou-se o suplemento Solver do Excel® para estimar os parâmetros desejados de
modo a que o valor de 𝑎 (Equação 11) fosse o mínimo possível.
Assim, para os pontos utilizados, isto é, tendo em conta os pontos removidos anteriormente,
foi aplicado o Método dos Mínimos Quadrados e de seguida aplicado o Solver. Os valores dos
parâmetros estimados encontram-se na Tabela 9.
Tabela 9 - Parâmetros obtido para o modelo.
Parâmetro Valor Unidade
𝑚𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎çã𝑜 0,169 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎⁄
𝑚𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 0,067 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎⁄
𝑚𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 0,205 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑎⁄
𝑚𝑆𝑖𝑙𝑜𝑠 0,020 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝑀𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎⁄
𝑚𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧é𝑛𝑠 0,086 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝑀𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎⁄
𝑚𝐹𝑎𝑟𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑜𝑗𝑎 0,011 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎⁄
𝑚𝐹𝑢𝑙𝑙−𝑓𝑎𝑡 0,657 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎⁄
𝑚𝐹𝑎𝑟𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑙𝑧𝑎 0,007 𝑘𝑊ℎ 𝑇𝑜𝑛𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎⁄
𝐸𝐹𝑢𝑔𝑎𝑠 400,0 𝑘𝑊ℎ
𝜂 22,4 %
54
Fazendo uma breve análise aos parâmetros obtidos, é possível retirar algumas condições
prévias à verificação do modelo:
A eficiência obtida através do modelo é baixa, tendo em conta os valores vulgarmente
obtidos para este tipo de compressores, entre os 65 e os 75% (Campbell, et al., 1984);
O específico para o consumo de energia para a produção de Full-fat é elevado, pois as
quantidades produzidas são baixas;
O específico para o processo de produção de farinha e óleo de soja deve ser um pouco
mais elevado que o processo de produção de farinha e óleo de colza, pois contempla
uma fase que no processo de colza não existe, como tal tem um aumento de utilização
de ar comprimido em automação e raseiras;
O valor obtido para o consumo energético desperdiçado em fugas de ar comprimido ao
longo da rede corresponde a, em média, cerca de 48% do consumo de ar comprimido.
Em sistemas de ar comprimido este valor pode variar entre 15 a 50%, dependendo do
tipo e frequência de manutenção que é aplicada.
Para verificar se o modelo se ajusta à realidade da unidade fabril, foram utilizados os dados
relativos ao ano de 2016. Assim, a partir de 1 de Janeiro de 2016 foram utilizados os parâmetros da
Tabela 9 para calcular a energia consumida e foi comparado esse valor com os valores obtidos nos
contadores energéticos. Foi também calculado o erro experimental associado a cada dia, Figura 38.
Com isto obteve-se um erro médio de 14% e uma distribuição de produções representadas no
gráfico da Figura 37.
47,33%
4,88%
2,02%
8,38%
4,25%
6,05%
1,13%
5,25%0,60%
32,56%
Perdas Neutralização Transterificação Central de Vapor Silos Armazéns Soja Full-Fat Colza
Figura 37 - Distribuição de consumos de ar comprimido pelos diversos processos.
55
0,0 0%
10, 00%
20, 00%
30, 00%
40, 00%
50, 00%
60, 00%
70, 00%
80, 00%
90, 00%
100 ,00%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
31
/12
/15
2/1
/16
4/1
/16
6/1
/16
8/1
/16
10
/1/1
6
12
/1/1
6
14
/1/1
6
16
/1/1
6
18
/1/1
6
20
/1/1
6
22
/1/1
6
24
/1/1
6
26
/1/1
6
28
/1/1
6
30
/1/1
6
1/2
/16
3/2
/16
5/2
/16
7/2
/16
9/2
/16
11
/2/1
6
13
/2/1
6
15
/2/1
6
17
/2/1
6
19
/2/1
6
21
/2/1
6
23
/2/1
6
25
/2/1
6
27
/2/1
6
29
/2/1
6
2/3
/16
4/3
/16
6/3
/16
8/3
/16
10
/3/1
6
12
/3/1
6
14
/3/1
6
16
/3/1
6
18
/3/1
6
20
/3/1
6
22
/3/1
6
24
/3/1
6
26
/3/1
6
28
/3/1
6
30
/3/1
6
1/4
/16
3/4
/16
5/4
/16
7/4
/16
9/4
/16
11
/4/1
6
13
/4/1
6
15
/4/1
6
17
/4/1
6
19
/4/1
6
21
/4/1
6
23
/4/1
6
% d
e c
on
su
mo
de
ar
co
mp
rim
ido
Dia
Neutralização Transterificação Central de Vapor Silos Armazéns Soja Full-Fat Colza Perdas |Erro|
Figura 38 - Distribuição de consumo de ar comprimido nos dias utilizados para testar o modelo.
56
Seguidamente, foi executada uma análise de sensibilidade para verificar quais são os
parâmetros que mais afetam o modelo. Para esta análise de sensibilidade, fez-se variar os parâmetros
com o valor do erro médio obtido e verificou-se qual o seu efeito no erro médio.
Tabela 10 – Análise de sensibilidade aos parâmetros em estudos.
Parâmetro Δ
𝑚𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎çã𝑜 0,08%
𝑚𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 0,03%
𝑚𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 0,20%
𝑚𝑆𝑖𝑙𝑜𝑠 0,09%
𝑚𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧é𝑛𝑠 0,42%
𝑚𝐹𝑎𝑟𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑜𝑗𝑎 0,01%
𝑚𝐹𝑢𝑙𝑙−𝐹𝑎𝑡 0,19%
𝑚𝐹𝑎𝑟𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑙𝑧𝑎 0,02%
𝐸𝐹𝑢𝑔𝑎𝑠 0,61%
𝜂 0,11%
Apesar de, com este modelo, não ser possível retirar os consumos reais de ar comprimido é
possível concluir alguns acontecimentos:
Verifica-se que, devido à inexistente manutenção e preocupação com a rede de ar
comprimido da Iberol S.A. nos últimos anos, a perda energética em fugas representa
uma grande parte do consumo global em fugas;
Verifica-se que a ineficiência dos compressores é um ponto a melhorar, pois mesmo
aplicando o desvio do modelo obtido, o valor da ineficiência é bastante baixo e existem
metodologias para melhorar este valor;
Verifica-se que os específicos que tem maior influência no modelo são os relativos à
produção de vapor e Full-fat e à movimentação de produto em armazéns.
Para melhoramento do modelo de estimativa de consumos seria necessário a existirem
contadores de ar comprimido ao longo da rede, para que se pudesse ser criterioso quanto à distribuição
de custos com ar comprimido nos vários processos.
Atualmente esta distribuição é feita na proporção 50/50, isto é, os processos da secção da
UPB, neutralização e transterificação, acarretam 50% dos custos e a secção de Preparação-Extração,
produção de soja ou colza e Full-fat, acarretam o restante.
57
Como se verifica na Figura 39, a distribuição atualmente feita pelos diversos consumidores,
não está totalmente errada, sendo que, segundo o modelo, a UPB deveria acarretar cerca de 49,7% e
o restante seria alocado à Preparação-Extração. Contudo, admitindo que o modelo não se ajusta, pode
considerar-se dois cenários: o primeiro é que o erro irá aproximar-se ao ajuste que é feito atualmente
de 50/50; ou então o erro irá provocar um maior desvio do consumo e, nesse caso, a UPB está a ser
prejudicada acarretando com parte do consumo que não lhe pertence.
Assim, o passo seguinte de gestão da rede de ar comprimido será a otimização do processo
de produção de ar comprimido.
3.2. Otimização da Rede de Ar Comprimido Existente
De forma a otimizar a rede de ar comprimido da Iberol S.A., optou-se por primeiramente,
executar as ações que não implicam grande investimento, e, numa segunda fase, se necessário,
investir na rede de ar comprimido.
4,88%
2,02%1,13%
5,25%
0,60%
Neutralização Transterificação Soja Full-Fat Colza
Figura 39 - Distribuição de consumos de ar comprimido pelos processos principais.
58
3.2.1. Redução de Fugas
Para a redução de fugas foi executado um plano de implementação de Manutenção Autónoma
(Figura 24).
Para iniciar o plano, foi necessário executar um levantamento dos pontos da rede em que
existiam fugas e verificar quais as zonas críticas. Com o auxílio dos diagramas referidos em 3.1.2,
indicaram-se onde se localizavam as fugas para posterior reparação, Anexo VII.
Com esta avaliação do estado da rede de ar comprimido pode-se verificar quais os pontos onde
existe maior número de fugas e onde é necessário atuar com maior brevidade. Verificando o gráfico da
Figura 40 pode-se concluir que a secção dos Silos Mistos é a mais problemática, seguida do Parque
de Tanques e Preparação-Extração.
Assim, decidiu-se iniciar a manutenção autónoma na secção dos silos mistos.
O ponto inicial foi repor as condições iniciais. Não é fácil disponibilizar uma equipa de
manutenção para este trabalho, pois são necessárias noutros pontos da unidade fabril. Assim, de forma
Armazéns
Central de Vapor
UPB
Preparação
Posto de carga
Extracção
Parque de Tanques
Silos
Figura 40 - Distribuição de quantidade de fugas por secção.
59
a ser possível iniciar a Manutenção Autónoma, selecionaram-se quais as reparações que seriam
possíveis de fazer pelos operadores da secção de modo a acelerar o processo.
Para que a Manutenção Autónoma seja mais simples de executar foram criadas rotas de
Manutenção Autónoma.
Estas rotas consistem na representação dos locais onde as tubagens de ar comprimido na
planta dos variados pisos da secção e a manutenção que é necessária fazer, Anexo VIII.
De seguida, foi necessário fazer formação a todos os colaboradores da secção de modo a
executarem a Manutenção Autónoma da melhor forma e que esta desenvolva resultados o mais rápido
possível.
Por fim, foi iniciada, em Novembro de 2015, a Manutenção Autónoma nos Silos Mistos. Para
isso, os operadores da secção foram acompanhados durante os primeiros dois meses para garantir
que não existiam dúvidas sobre os diagramas e as situações a reparar.
Para auxiliar a organização da calendarização das rotas e que para, futuramente, seja possível
organizar as rotas de ar comprimido e integrar com a Manutenção Autónoma aos equipamentos
processuais das diversas secções foi desenvolvida uma ferramenta em Excel®.
Esta ferramenta funciona em ligação com as mascaras de processo de cada secção, ou seja
as ferramentas de gestão e registo dos dados processuais, para que os operadores que realizam a
manutenção autónoma possam registar todas as rotas que fazem e quais as anomalias detetadas que
podem ser reparadas pela operação, não recorrendo à equipa de manutenção deixando-a disponível
para atividades mais especializadas.
Assim, no início de cada mês, é gerada em cada secção uma calendarização de realização de
rotas onde os operadores consultam os dias em que é necessário realizar as rotas.
Em paralelo existe uma ferramenta em Excel® que serve para gestão de Manutenção
Autónoma de todas as secções. Nesta ferramenta é possível adicionar e remover rotas de Manutenção
Autónoma, alterar a sua periodicidade e os dias da semana em que ocorrem, Figura 41. Estas
60
alterações são atualizadas nas diversas secções no início de cada mês, antes de ser gerada a
calendarização.
No fim de cada mês, para avaliação da performance da Manutenção Autónoma é feita uma
atualização da ferramenta de gestão da Manutenção Autónoma onde são atualizados os gráficos e são
comparadas as performances de cada secção e também o tipo de anomalias, entre outras análises de
interesse para a ferramenta.
Ao longo do mês, para garantir que não há questões a apontar pelos operadores e para garantir
que a Manutenção Autónoma é feita com a máxima qualidade, é possível a realização de auditorias às
diversas secções. Para isso, a ferramenta de gestão da Manutenção Autónoma tem a possibilidade de
o auditor selecionar os dias e as secções que pretende auditar. Depois desta seleção, a ferramenta
devolve uma ficha que deve acompanhar o auditor ao local onde são registadas as avaliações, à
Figura 41 - Ferramenta de gestão de Manutenção Autónoma.
Figura 42 - Gestão que permite a ferramentas Excel.
61
qualidade de execução da rota e algumas observações que possam se necessárias. No fim da
auditoria, o auditor, a partir da ferramenta em Excel®, pode realizar um relatório de auditoria que será
enviado aos chefes de secção correspondentes, de modo a que estes fiquem a par das melhorias a
fazer e das observações do auditor. Este auditor no caso da Iberol S.A., é o responsável da secção
mecânica que é especializado em todas as tarefas de manutenção e que está capacitado para auxiliar
os operadores com todas as dúvidas e questões que possam surgir durante a execução das rotas de
Manutenção Autónoma.
O desenvolvimento desta ferramenta teve o apoio de uma estagiária que estava a desenvolver
a sua tese de mestrado no âmbito da metodologia Kaizen e, como tal, apoio na estruturação da
Manutenção Autónoma de acordo com a metodologia.
Paralelamente, e de modo a melhorar a organização da Manutenção Autónoma nas secções,
foi criado em cada secção um quadro de Manutenção Autónoma. Este quadro resume todas as rotas
relativas ao mês atual e algumas informações úteis que sejam necessárias. Este quadro é uma mais-
valia, pois por trabalharem por turnos, por vezes os operadores têm dificuldade em saber se a rota já
Figura 43 - Gráficos de análise da performance da manutenção autónoma.
62
foi efetuada ou se não houve oportunidade no turno anterior e, assim estando afixado a sua consulta é
mais fácil e a comunicação é garantida.
Outra metodologia Kaizen aplicada à Manutenção Autónoma foi o cartão de Kamishibai. Este
cartão permite que o auditor coloque no quadro de Manutenção Autónoma um cartão verde, no caso
Figura 44 - Quadro criado para a Manutenção Autónoma.
63
de a Manutenção Autónoma estar a decorrer consoante o previsto, e vermelho, caso existam pontos a
melhorar na execução da Manutenção Autónoma.
Esta metodologia foi implementada com bastante aceitação por parte dos operadores das
diversas secções, o que permitiu que se expandisse a manutenção autónoma aos equipamentos dos
diferentes processos.
Como se verifica na Figura 45, conseguiu-se descentralizar as manutenções mais simples da
equipa de manutenção. Principalmente nas secções dos Silos e Preparação-Extração, onde a
manutenção autónoma está implementada há mais tempo, os operadores começaram a reparar muitos
dos problemas e os que não conseguem reparar na totalidade são enviados para a equipa de
0
50
100
150
200
250
Operadores Manutenção
Nº
de
An
om
alia
s re
par
adas
UPB
Parque de Tanques
Armazéns
Preparção-Extracção
Silos
Figura 45 - Comparação do número de anomalias reparadas pelos operadores das diversas secções e pela equipa de manutenção.
64
manutenção com mais antecedência, permitindo um maior planeamento e distribuição de trabalho por
parte da equipa de manutenção.
Na Figura 46, é possível comparar o número de anomalias que foram reportadas à equipa
manutenção por via de execução de procedimentos de manutenção autónoma e as reparações que
não foi possível identificar previamente e que apenas se reportaram à equipa de manutenção quando
o problema se torna urgente.
Esta comparação permite avaliar que o número de anomalias identificadas por manutenção
autónoma é superior sendo os problemas avaliados atempadamente. Este indicador também
demonstra que os procedimentos de manutenção autónoma estão a ser executados com rigor.
3.2.2. Eliminação de Pontos Obsoletos
O próximo passo para otimizar a rede de ar comprimido existente é a eliminação dos pontos
obsoletos, isto é, todos os pontos da rede que outrora já foram utilizados, mas que atualmente já não
0
50
100
150
200
250
300
Manutenção Autónoma Reparações não detectadas
Nº
de
An
om
alia
s re
par
adas
UPB
Parque de Tanques
Armazéns
Preparção-Extracção
Silos
Figura 46 - Comparação do número de anomalias requeridas à equipa de manutenção por manutenção autónoma e fora do âmbito de manutenção autónoma.
65
são necessário e, por este motivo, são pontos com probabilidade de fugas que podem ser eliminados
ou seccionados.
Para isso foi analisada toda a rede de ar comprimido e foram identificados inúmeros pontos.
Silos Mistos
Nos Silos mistos foram identificados os pontos da Figura 47.
A alimentação a raseiras oscilantes que, devido às propriedades da matéria-prima
armazenada, não são necessárias e, como tal, as ligações de ar comprimido, em tubagem flexível,
podem ser eliminadas.
Também existem tubagens que estão ligadas a equipamentos que se destinavam a um circuito
que atualmente foi descontinuado e, por este motivo, pode ser desconectado da rede de ar comprimido.
Estes melhoramentos ainda não foram conseguidos, pois implicam a intervenção da equipa de
manutenção.
Figura 47 - Pontos obsoletos a eliminar nos Silos Mistos.
66
Preparação-Extração
Nesta secção, o único ponto a melhorar é a ligação de ar comprimido que alimentava um
decantador. Este decantador também já está descontinuado, pois destinava-se a uma purificação que
atualmente não é executada e que, caso seja retomada, será necessária a aquisição de novas técnicas.
Sala de Produção de Ar Comprimido
Na sala de produção de ar comprimido existem dois pontos que podem ser eliminados.
Estes pontos são as ligações a um secador e a um compressor descontinuados. Estes
melhoramentos já foram executados e atualmente não fazem parte da rede de ar comprimido.
Central de Vapor
Na central de vapor, tal como nos pontos anteriores, existem pontos que se destinavam a
equipamentos que neste momento estão descontinuados, que podem ser eliminados.
Estes melhoramentos estão atualmente concluídos.
Figura 48 - Pontos obsoletos a eliminar na preparação-extração.
Figura 49 - Pontos obsoletos a eliminados na Sala de Produção de ar comprimido.
Figura 50 - Pontos obsoletos a eliminar na Central de Vapor.
67
3.2.3. Ajuste da Qualidade do Ar Comprimido
A qualidade do ar comprimido na Iberol S.A. recomendada, analisando os critérios da Tabela
1, é do tipo (2,3,2).
Esta classe atribuída deve-se à existência de bastante instrumentação ao longo da rede de ar
comprimido e são estes os equipamentos que exigem uma qualidade do ar comprimido mais restrita.
Assim, analisando a rede de ar comprimido existente, verifica-se que os filtros e secadores que
se encontram na Sala de Produção de Ar Comprimido não atingem os valores pretendidos.
A secagem do ar comprimido não é suficiente e, por isso, está a comprometer o funcionamento
e longevidade dos equipamentos de instrumentação existentes.
Para avaliar a consequência da secagem insuficiente de ar comprimido foram realizadas
medições durante um intervalo de tempo, para verificar a qualidade do ar comprimido à saída do
secador.
Na Figura 51 encontram-se os dados recolhidos para avaliar a humidade do ar comprimido que
segue para os equipamentos de uso final. A linha horizontal inferior representa o valor objetivo para o
68
ponto de orvalho para cumprir os requisitos da qualidade do ar comprimido. Assim, conclui-se que o ar
comprimido abandona a sala de produção de ar comprimido com um excesso de humidade.
Por este motivo é fundamental intensificar a manutenção do Secador para garantir que a
remoção de humidade é máxima e que o ar comprimido abandona o secador com o mínimo de
humidade possível.
Outra forma de minimizar a quantidade de água presente no ar comprimido é a remoção de
toda a água que é condensada ao longo da tubagem. Para isso utilizam-se Purgadores. Os Purgadores
existentes na Iberol S.A. encontram-se representadas nos diagramas no Anexo II. Estos Purgadores
são do tipo manual, e, como tal, a manutenção destes Purgadores está incluída nas rotas de
Manutenção Autónoma realizadas pelos operadores.
Contudo, os Purgadores existentes não são suficientes. De acordo com a bibliografia analisada,
os Purgadores devem ser distanciadas entre si por 20 a 30 metros. Como se verifica pelos diagramas
(Anexo II), ao longo de toda a rede de ar comprimido que alimenta a instrumentação de ar comprimido
-25,00
-20,00
-15,00
-10,00
-5,00
0,0 0
5,0 0
Po
nto
de
Orv
alh
o (C
)
Figura 51 - Ponto de orvalho do ar comprimido à saída do secador e o valor de referência de acordo com a ISO 8573-1, os valores do eixo das ordenadas encontram-se omitidos por questões de confidencialidade.
69
na UPB não existem Purgadores. Esta é uma zona sensível à humidade de ar comprimido e a colocação
de Purgadores nos vários pisos da UPB é fundamental.
Esta ação não foi realizada, pois implica a paragem da produção de Biodiesel. Esta ação
apenas pode ser realizada durante uma paragem programada, pois implica a desgaseificação dos
equipamentos para garantir todas as condições de segurança.
Outro ponto na unidade fabril em que será fundamental a colocação de Purgadores será nos
pisos dos Silos Mistos, em que se encontram as raseiras oscilantes. Nestes pisos existe muita
instrumentação e, como tal, é fundamental que seja removida toda a humidade possível.
Na Preparação-Extração os Purgadores existentes são suficientes, apenas é imperativo ser-
lhes retirada a água acumulada periodicamente, e, de acordo com o especificado nas rotas de
Manutenção Autónoma.
3.2.4. Recuperação de calor para aquecimento de água industrial
Para que a energia dissipada no processo de compressão seja reaproveitada, é importante
avaliar a oportunidade de reaproveitar o calor desperdiçado no processo de compressão.
Para isso, a Atlas Copco®, fabricante dos compressores existentes na unidade fabril, possui
um sistema de recuperação de calor, Figura 52, que permite um reaproveitamento de cerca de 70% do
calor.
O reaproveitamento do calor é possível adquirindo-se um equipamento adicional. Este
equipamento utiliza o calor dissipado no processo de compressão para o aquecimento de água. O
Figura 52 - Sistema de recuperação de calor, Atlas Copco®.
70
funcionamento do equipamento é semelhante ao funcionamento de um permutador de calor
convencional, Figura 53.
A água aquecida neste tipo de sistemas com compressores de 37 kW, como é o caso do
compressor principal da Iberol S.A., consegue atingir entre os 50 e os 99C, dependendo do caudal e
velocidade de passagem no equipamento. (Atlas Copco, 2015)
Esta medida poderá ser rentável no sistema da Iberol S.A., pois, devido à proximidade, o calor
reaproveitado pode ser utilizado no aquecimento da água alimentada ao processo de produção de
vapor.
Para a análise da rentabilidade da implementação de recuperação de calor para o processo de
produção de vapor, considerou-se como valor pessimista os 70% da potência do compressor (25,9
kW), no entanto, segundo o fabricante dos compressores e que fornece este equipamento para
reaproveitamento de calor, Atlas Copco, a potência máxima recuperável é 32,5 kW, valor considerado
otimista. (Atlas Copco), O payback é possível calcular-se de acordo com a Equação 12.
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘
= 𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (€)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟á𝑣𝑒𝑙(𝑘𝑊) × 𝑁ºℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜(ℎ 𝑎𝑛𝑜⁄ ) × 𝑝𝑟𝑒ç𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 (€ 𝑘𝑊ℎ)⁄
Equação 12
Figura 53 - Funcionamento do equipamento de recuperação de calor. 1) Agua fria; 2) Ar Comprimido; 3) Energia elétrica; 4) Ar; 5) Circuito de óleo; 6) Energia recuperada; 7) Agua aquecida. (Atlas Copco)
71
O valor do custo do equipamento pode variar entre os 3500 e os 5000€, segundo valores
fornecidos pelo fabricante. (Atlas Copco)
Tabela 11 - Cálculo do payback nos diferentes cenários. (Atlas Copco), (Entidade Reguladora dos Serviços Energético, 2016)
Cenário Muito pessimista Pessimista Otimista Muito otimista
Custo do equipamento
(€) 5 000 5 000 3 500 3 500
Potência recuperada
(kW) 25,9 32,5 25,9 32,5
Tempo de laboração
do compressor (h/ano) 7 200 7 200 7 200 7 200
Preço Energia (Gás
Natural) (€/kWh) 0,032 0,032 0,032 0,032
Payback
(anos) 0,84 0,67 0,59 0,47
Na Tabela 11 encontram-se os valores de payback obtidos para os diferentes cenários. Verifica-
se que o payback para este investimento será cerca de um ano.
72
4. Conclusão e Propostas Futuras
De forma a gerir e otimizar a rede de ar comprimido existente na Iberol S.A realizaram-se várias
tarefas distintas.
Inicialmente, com o desenho de diagramas da rede de ar comprimido foi possível determinar
quais os clientes que necessitam de ar comprimido e quais os percursos que as tubagens percorrem e
as suas derivações.
Paralelamente com este desenho foram identificados os pontos da rede que se encontravam
com fugas e a necessitar de intervenção. Estes pontos foram reduzidos em cerca de 60%.
A redução dos pontos de fuga foi conseguida devido à colaboração dos operadores das
diversas secções que, com a realização das rotas de Manutenção Autónoma definidas, repararam
grande parte das fugas existentes. Deste modo, as fugas existentes na unidade fabril atualmente são,
na sua maiorias, fugas de pequenas dimensões, não audíveis pelo ouvido humano, ou fugas que
exigem a paragem do processo.
Futuramente, para que as fugas sejam reparadas no momento em que aparecem e de modo a
impedir que o orifício das fugas aumente o seu tamanho, seria importante a obtenção de um
equipamento de deteção de fugas. Este equipamento atualmente seria útil, pois os operadores já detêm
a rotina de realização das rotas e seria uma mais-valia para a elevação da performance da Manutenção
Autónoma.
Outra iniciativa tomada no âmbito deste trabalho foi a realização de testes para a estimativa do
consumo de ar comprimido. Estes testes não conduziram a conclusões relevantes, pois o tempo de
teste disponível não permitiu uma evolução suficiente dos contadores. Por este motivo, fez-se uma
pesquisa pelo histórico de consumo de ar comprimido durante os últimos três anos na unidade fabril,
com vista a estimar, por modelo matemático, o consumo de ar comprimido em cada processo. Este
73
estudo permitiu verificar que o consumo desperdiçado em fugas é elevado e que a eficiência dos
compressores também é significativamente baixa.
Com vista à melhoria da eficiência dos compressores é importante o estudo da diminuição da
temperatura da Sala de Compressores. Por benchmark, estima-se que por cada 4C reduzidos à
temperatura de admissão, irá reduzir-se 1% no consumo de energia.
Para a determinação dos consumidores mais significativos e para uma distribuição dos gastos
energéticos referentes ao consumo de ar comprimido, será fundamental a realização de testes de
estimativa do consumo quando existir uma paragem programada da unidade fabril.
Por fim, foi possível fazer-se uma breve análise dos benefícios do aproveitamento de calor que
é recuperável no processo de compressão para o aquecimento de águas industriais. Por uma questão
de proximidade, optou-se por estudar o reaproveitamento de calor para o aquecimento das águas de
alimentação das caldeiras. Conclui-se que o investimento terá o payback de cerca de um ano, como
tal, deveria ser estudado mais aprofundadamente pois poderá ser uma das formas de rentabilizar o
processo de produção de ar comprimido.
74
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