Recuperação de energia em sistemas de compressores

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Muitas instalações que produzem ar comprimido oferecem possibilidades de economia de energia significativas e frequentemente não utilizadas, na forma de recuperação de energia residual. Em grandes indústrias, os custos de energia podem chegar a 80% do custo total da produção de ar comprimido. No entanto, grande parte dessa energia pode ser recuperada, o que, por sua vez, possibilitará economizar muito dinheiro.

O que é a recuperação de energia residual em instalações de compressores?

Recuperação de energia térmica em sistemas de compressores, diagrama

Ao se comprimir o ar, forma-se calor. Antes de o ar comprimido ser distribuído no sistema de tubos, a energia térmica é extraída e se transforma em calor residual. Para cada instalação de ar comprimido, deve-se abordar a questão de capacidade de resfriamento suficiente e confiável para a instalação. O resfriamento pode ocorrer por meio do ar externo ou de um sistema de água de resfriamento, utilizando a rede municipal de água, água corrente ou água de processo, em um sistema aberto ou fechado.

 Uma central de compressores em uma grande indústria que consome 500 kW em mais de 8.000 horas de operação por ano representa um consumo anual de energia de 4 milhões de kWh. As possibilidades de recuperar quantidades substanciais de calor residual via ar quente ou água quente são reais. É possível recuperar até 94% da energia fornecida ao compressor, por exemplo, como água quente a 90 °C proveniente de compressores de parafuso isentos de óleo. Este fato ilustra que é possível obter um retorno substancial em um curto período de tempo através de medidas de economia.

O retorno sobre o investimento para a recuperação de energia geralmente é de apenas um a três anos. Além disso, a energia recuperada por meio de um sistema de resfriamento fechado melhora as condições de funcionamento do compressor, a confiabilidade e a vida útil, devido a um nível equalizado de temperatura e à alta qualidade da água de resfriamento, para citar apenas algumas vantagens. Os países nórdicos são de certa forma os precursores nesta área e a recuperação de energia tem sido uma prática padrão já há algum tempo para instalações de compressores. A maioria dos compressores de médio a grande porte dos principais fornecedores é agora adaptada para o uso com equipamentos padrão para recuperação de calor residual.

Como podemos calcular o potencial de recuperação?

As leis da física ditam que quase toda energia fornecida a uma instalação de compressor é convertida em calor. Quanto mais energia puder ser recuperada e utilizada em outros processos, maior será a eficiência geral do sistema.

Energia recuperada em kWh/ano:
Economia por ano: (€)
TR = Tempo de demanda de energia recuperada (horas/ano)
K1 = Parte de TR com compressor carregado (horas/ano)
K2 = Parte de TR com compressor não carregado (horas/ano)
Q1 = Potência de líquido arrefecedor disponível com compressor carregado (kW)
Q2 = Potência de líquido arrefecedor disponível com compressor não carregado (kW)
ep = Preço da energia (€/kWh)
η = Eficiência normal da fonte de calor (%)

Em muitos casos, o grau de recuperação de calor pode exceder 90% se a energia obtida pelo resfriamento da instalação dos compressores puder ser utilizada de forma eficiente. A função do sistema de resfriamento, a distância até o ponto de consumo e o grau e a continuidade da necessidade de calor são fatores decisivos. Com grandes fluxos térmicos, vender a energia térmica recuperada é uma possibilidade que não deve ser ignorada. O fornecedor de energia elétrica poderia ser um cliente em potencial, e o investimento, o pedido subordinado e a entrega poderiam ser negociados facilmente. Uma oportunidade de economia também existe coordenando a recuperação de energia a partir de vários processos.

Como recuperar energia em um sistema resfriado a ar?

A recuperação de energia a partir de instalações de ar comprimido nem sempre resulta em calor quando é necessário e, muitas vezes, não em quantidades suficientes. A quantidade de energia recuperada irá variar com o tempo se a carga do compressor for variável. Para que a recuperação seja viável, é preciso ter uma demanda de energia térmica relativamente estável correspondente. A energia de calor residual recuperada é melhor utilizada para complementar a energia fornecida ao sistema. Dessa forma, a energia disponível é sempre utilizada durante a utilização do compressor. As opções para compressores resfriados a ar, que produzem uma alta vazão de ar quente a uma temperatura relativamente baixa, são o aquecimento direto do prédio ou a troca de calor com uma bateria de pré-aquecimento. O ar de resfriamento aquecido é então distribuído usando um ventilador.

Quando os prédios não precisam de calor adicional, o ar quente é liberado na atmosfera, seja automaticamente pelo controle de um termostato, seja manualmente, controlando o amortecedor de ar. Um fator limitante é a distância entre os compressores e o prédio que precisa ser aquecido. Essa distância deve ser limitada (de preferência a distância entre edifícios contíguos). Além disso, pode-se limitar a possibilidade de recuperação durante os períodos mais frios do ano. A recuperação de energia através do ar é mais comum em compressores de pequeno e médio porte. A recuperação do calor residual de sistemas de resfriamento de ar do compressor resulta em apenas pequenas perdas na distribuição e requer pouco investimento.

Como recuperar energia em um sistema resfriado a água?

A água de resfriamento de um compressor resfriado a água com uma temperatura de até 90 °C pode complementar um sistema de aquecimento de água quente. Se o uso da água quente for para lavagem, limpeza ou banho, será necessário ainda utilizar uma caldeira de água quente de carga normal. A energia recuperada do sistema de ar comprimido formará uma fonte de calor complementar, possibilitando reduzir a carga sobre a caldeira, economizar combustível para aquecimento, e usar uma caldeira menor.

Os pré-requisitos para a recuperação de energia de compressores de ar comprimido são diferentes, em parte, dependendo do tipo de compressor. Compressores isentos de óleo padrão são fáceis de modificar para permitir a recuperação de energia. Este tipo de compressor é ideal para a integração com um sistema de aquecimento de água quente, pois fornece a temperatura da água (90 °C) necessária para a recuperação eficiente de energia. Em compressores lubrificados a óleo, o óleo, que participa do processo de compressão, é um fator que limita as possibilidades para altas temperaturas da água de resfriamento. Em compressores centrífugos, os níveis de temperatura são geralmente mais baixos devido à menor taxa de pressão por estágio de compressão, limitando, assim, o grau de recuperação.

A recuperação de energia residual a partir de água é mais adequada para compressores com motor elétrico acima de 10 kW. A recuperação de energia residual a partir da água exige uma instalação mais complexa do que a recuperação de energia residual a partir do ar. O equipamento básico consiste em bombas de fluido, trocadores de calor e válvulas reguladoras.

O calor pode também ser distribuído para prédios distantes com o uso de tubos de diâmetros relativamente pequenos (40-80 mm), sem perdas substanciais de calor, usando a recuperação de energia a partir da água. A alta temperatura inicial da água indica que a energia residual pode ser usada para aumentar a temperatura da água de retorno de uma caldeira de água quente. Dessa forma, a fonte de aquecimento normal pode ser periodicamente desligada e substituída pelo sistema de recuperação de calor residual do compressor.

O calor residual dos compressores na indústria de processo pode também ser usado para aumentar a temperatura do processo. É possível também usar compressores de parafuso lubrificados a óleo e resfriados a ar para aplicar a recuperação de energia residual a partir da água. Isso exige um trocador de calor no circuito de óleo, e o sistema fornecerá água a temperaturas mais baixas (50 - 60 °C) do que com compressores isentos de óleo.

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