Análise de Eficiência Energética em Sistemas Industriais de Ventilação
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- Manuela Martinho Faro
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1 Aálse de Efcêca Eergéca em Ssemas Idusras de elação Kleber Davd Belovsk, Déco Bspo, Aôo Carlos Delaba, Sérgo Ferrera de aula Slva Faculdade de Egehara Elérca da Uversdade Federal de Uberlâda UFU, Aveda João Naves de Ávla, 22 Uberlâda MG, CE Resumo O objevo dese documeo é apresear um méodo de aálse e verfcação da efcêca eergéca em ssemas dusras de velação. rmeramee são apreseados os procedmeos e meodologas ulzados além de uma descrção da bacada de esao. As aálses esão drgdas a veladores cerífugos acoados por dferees moores e dferees coroles de vazão de ar. Em complemeo às avalações éccas, são apreseados méodos para aálse ecoômca de vesmeos, e um esudo de caso. A bacada possu um pael ode esão salados os dsposvos de parda (drea, sof-sarer e versor de freqüêca), o corolador programável (C), e elemeos de acoameo e proeção como coaores, dsjuores e fusíves. alavras-chaves Efcêca eergéca, ssemas dusras de velação, aálse ecoômca. I. INTRODUÇÃO A ameaça de esgoameo das reservas de combusíves fósses, a pressão dos resulados ecoômcos e as preocupações ambeas, êm causado a aplcação da efcêca eergéca como uma das soluções para equlbrar o modelo de cosumo exsee e para combaer as alerações clmácas. O coceo de efcêca eergéca compreede em efeuar o mesmo rabalho, ulzado a meor quadade de eerga possível, maedo a mesma qualdade e coforo oferecdo pelo equpameo. Segudo ese coceo, o presee rabalho preede esudar especfcamee um ssema de velação dusral. A escolha desa carga esá baseada em sua ampla ulzação em dversos processos, como: promover a crculação de ar (resfrado ou aquecdo) o coforo humao remoção de ar coamado de ambees em processos dusras e muas ouras aplcações. II. DESCRIÇÃO DA BANCADA DE ENSAIO A bacada do velador cosse em um ssema compleo de acoameo. Ela é composa por duas mesas e um pael. Na prmera mesa esá salado um mcro-compuador, que é resposável pela supervsão da bacada aravés do supervsóro Idusof 6.. Na seguda mesa esão salados dos moores (lha padrão e alo redmeo), o módulo de carga (com varação de 0 a 20% da carga omal) e dsposvos de sesorameo e auação. O velador ulzado é do po cerífugo erado com pequeas vazões e grades pressões. Isso perme rabalhar com cera varação de vazão e de roação maedo pracamee o mesmo redmeo, codção desejável para o esudo em quesão []. K. D. Belovsk, belovsk@gmal.com D. Bspo, decobspo@yahoo.com.br A. C. Delaba, delaba@ufu.br S. F. de. Slva, sergo@feel.ufu.br. Agradecmeo à Elerobrás rocel Idúsra pelo supore facero para a capacação do aboraóro de Ssemas Morzes da UFU, forecedo ambém bolsas de Icação Ceífca. Fg.. Bacada de esao. A esruura perme a elaboração de esaos smulado dferees íves de carga aravés do damper (válvula que corola o fluxo de ar) ou de um versor de freqüêca, além de comparar a efcêca dos dos moores, um da lha padrão e ouro de alo redmeo [2]. III. ENSAIOS Os esaos realzados compreedem a comparação do cosumo para os dos moores dspoíves, e para o uso de varação de velocdade, coforme dealhameo apreseado a seqüêca. A. Cosumo de moores da lha padrão e de alo redmeo A avalação da dfereça de cosumo ere os moores da lha padrão e da lha de alo redmeo é realzada submeedo-se ambos os moores às mesmas codções de carga. ara ao, é ecessáro fxar uma vazão cosae o ssema de velação, assm, ulza-se um corolador de vazão ID para o corole da aberura do damper. É acoselhável a escolha de uma vazão que possble aos moores erarem próxmos à sua poêca omal. ogo, para deermar essa vazão procede-se da segue forma. Acla-se um dos moores ao ssema de velação
2 Aes de parr o moor fecha-se o damper compleamee. ara esse procedmeo é ecessáro que eseja selecoado o corole maual do damper are-se o moor (parda drea ou parda suave). Abre-se a jaela de medção das gradezas elércas e selecoa-se a leura de corree (ela do ssema supervsóro) ara-se a aberura do damper aravés do campo da modfcação dos parâmeros do corole ID aé observar-se que a corree agu o valor omal do moor erfca-se os parâmeros do procedmeo aeror para que o esao do ouro moor seja feo com a mesma aberura do damper. O procedmeo descro acma leva em cosderação que o moor esá erado a codção omal, porém o esao pode ser feo para qualquer carregameo do moor. embrado que é mporae que o esao dos dos moores seja feo submeedo-os à mesma codção de carga. ara a aálse de cosumo de eerga dos dos moores procede-se da maera descra a segur: Acla-se o moor da lha padrão ao ssema Fecha-se o damper oalmee e acoa-se o moor. É mporae parr-se o moor com o damper fechado para que a parda seja mas rápda e a corree de parda dure um período mas curo Com o ssema acoado, abre-se o damper a posção ecorada o procedmeo descro aerormee Ao esablzar o ssema, ou seja, quado o damper já esver abero a posção desejada e o valor de vazão do ssema esver esablzado, realza-se a leura do valor da poêca elérca ava rfásca o ssema. Além da poêca ava, é eressae aoar a vazão de ar o ssema para essa codção. Os mesmos procedmeos aerores são aplcados ao moor de alo redmeo, realzado as leuras de poêca para ambos os casos. Normalmee, os ssemas de velação eram em dferees valores de vazão de ar ao logo de um período. Sedo assm, é ecessáro fazer uma aálse de ecooma de eerga levado-se em cosderação odos esses poos durae o período de aálse. A ecooma de eerga durae esse período com valores de vazão de ar dferees é dada por: Eerga Cov ( ) Cov Eerga = = () - oma de eerga -oêca com moor padrão para suação - oêca com moor de alo redmeo para uma suação - Tempo de eração do velador em uma suação - Número máxmo de valores de vazão de ar dferees o período aalsado. A ecooma de eerga perceual pode ser dada por: Eerga % = Eerga 00 Cov = ara ober valores moeáros, a ecooma de eerga deve ser mulplcada pelo valor da eerga: Sedo: Eerga esp (2) = (3) - oma em reas esp - alor específco da eerga elérca. B. Corole de vazão por Damper e Iversor de Freqüêca Nese esao, o objevo é verfcar a efcêca do ssema de velação quado submedo a um corole de vazão de ar por meo de um versor de freqüêca em subsução ao damper. ara a realzação do esao procede-se da segue forma: Fecha-se compleamee o damper are-se o ssema (moor da lha padrão ou alo redmeo) Abre-se o damper uma prmera posção e verfcase o valor da poêca elérca ava o ssema Repee-se o em aeror para váras aberuras ara cada aberura do damper verfcar se o ssema ão esá erado em sobrecarga Traça-se o gráfco azão x oêca Ava Repee-se o procedmeo aeror. orém com o damper abero a posção de carga omal quado se ulza parda drea ara a obeção dos dferees valores de vazão, vara-se a freqüêca do versor de freqüêca aravés do ssema supervsóro. É mporae que os valores de vazão esse momeo sejam próxmos dos valores de vazão do esao realzado com damper Cosró-se o gráfco azão x oêca Ava agora ulzado o versor de freqüêca. A ecooma de eerga durae esse período com valores de vazão de ar dferees é dada por: ( ) damper versor Eerga = = (4)
3 damper - oêca o ssema ulzado-se damper para uma suação versor - oêca o ssema ulzado-se versor de freqüêca para uma suação. A ecooma de eerga perceual pode ser dada por: Eerga % = Eerga 00 damper = Em valores moeáros, a ecooma de eerga pode ser deermada ambém aravés de (3). I. ANÁISE ECONÔMICA (5) - Tempo de reoro smples C - Cuso do vesmeo R $ - oma por mês em reas Como esá sedo cosderado um reoro em parcelas mesas, o empo de reoro será o ero medaamee acma do valor obdo com a equação acma. B. Tempo de reoro capalzado O empo de reoro capalzado cosdera uma deermada axa de juros devdo ao fao de que a ecooma será auferda em parcelas mesas, cujo valor presee será meor. Cosderado uma axa de juros em valores perceuas e cosderado k períodos (meses) pode ser calculado o reoro capalzado aravés da expressão abaxo: Cada aspeco da aálse ecoômca em como objevo deermar cero parâmero que será usado para a omada de decsão. Esse esudo vsa deermar dversos faores, como: empo de reoro (smples e capalzado), ecooma gerada pela aqusção de um equpameo mas efcee ou de uma ova ecologa, e cuso da eerga ecoomzada ao logo da vda úl do equpameo. Os aspecos a serem aalsados ese rabalho serão: subsução de um moor da lha padrão por um de alo redmeo e a subsução de um damper por um versor de freqüêca para corole de vazão de um velador dusral. Em oda a aálse, a poêca de saída de ambos os moores ão poderá ser alerada. log C = 00 log Tempo de reoro capalzado - Taxa de juros (7) A. Tempo de reoro smples Tempo de reoro smples correspode ao empo ecessáro para que o capal vesdo a aqusção de um equpameo mas efcee seja reorado a forma de parcelas mesas que dexarão de ser pagos a coa de eerga (ecooma ). O empo de reoro perme esabelecer uma forma de avalar se o vesmeo dará reoro a curo, médo ou logo prazo, ou aé mesmo se ão haverá reoro ao logo da vda úl do equpameo. Não exse um valor ómo ou aceável para o empo de reoro que aeda a odos os casos. Tempos de reoro muo próxmo ou maores que a vda úl esperada do equpameo em geral ão são aceos. Deve-se er ambém em mee que depos de decorrdo o empo de reoro, o equpameo adqurdo passará a prorcoar uma ecooma de eerga, a qual do poo de vsa ecoômco pode ser cosderada como um gaho de capal que se esederá por oda a vda úl resae do equpameo. O empo de reoro smples ão cosdera a capalzação do valor da ecooma (axa de juros zero) e é dado pela segue expressão: C = (6) C. Tempo de reoro capalzado cosderado o aumeo do cuso da eerga ara se calcular o empo de reoro, pode ser cluído um possível aumeo o cuso da eerga elérca. Assm, a axa de juros líquda é deermada pela segue expressão: + 00 = 00 e Taxa de juros líqudos e - Taxa de aumeo do cuso da eerga. De acordo com a fórmula acma percebe-se que com a clusão da axa de aumeo do cuso da eerga elérca, a axa de juros a ser ulzada o empo de reoro capalzado será meor do que se ão vesse cosderado ese aumeo o cuso da eerga, com sso o empo de reoro será meor quado cosderado a axa de aumeo do cuso da eerga elérca. orao para o cálculo do reoro de vesmeo capalzado ulzaremos a ova axa de juros chegado assm à segue expressão: (8)
4 log C = 00 log + 00 D. da úl do equpameo (9) r - Taxa de redmeo ao mês. m - Quadade de meses depos de pago o cuso do vesmeo. Sedo que: m = u ' (3) u ' - da úl do equpameo em meses. Um dos equpameos ulzado é o moor de alo redmeo. ara se deermar o valor reorado a vda úl do equpameo, é ecessáro eão esmar esse período. Aravés de uma esaísca amercaa [3], foram esmados períodos de vda úl em fução da poêca do moor, e fo possível perceber que a méda geral é de 3,3 aos. Ese valor pode ser ulzado para fs de aálse ecoômca. Ouro equpameo a ser ulzado ese rabalho é o versor de freqüêca, ode o empo de vda úl vara de acordo com o fabrcae, varado ere 50 e 00 ml horas. E. Eerga ecoomzada ao logo da vda úl A eerga ecoomzada ao logo da vda úl do equpameo é dada por: ao U U = ao U (0) - oma de eerga aual - da úl do equpameo em aos. F. alor líqudo reorado ao logo da vda úl Ese valor dca o quao o empreededor rá lucrar com o vesmeo realzado, ou seja, o quao o ovo equpameo reorará em reas para o prreáro. Ese reoro pode ser calculado cosderado ou ão, a capalzação as parcelas. O valor líqudo sem cosderar a capalzação pode ser ecorado aravés da segue expressão: S S = U esp C () - alor líqudo smples reorado ao logo da vda úl. Cosdera-se que o empreededor empregará as parcelas reoradas depos de pago o cuso do vesmeo em ouro vesmeo que eha uma axa de redmeo r (juros sobre juros), que deve ser ulzada a segue fórmula: C m r + r 00 = + 00 r 00 (2). ESTUDO DE CASO rmeramee o esudo de efcêca eergéca aalsa a ulzação do moor de alo redmeo em subsução ao moor da lha padrão [4]. oserormee será aalsada a efcêca do ssema quao à ulzação de um versor de freqüêca em subsução ao damper. O versor de freqüêca e o damper são ulzados os ssemas de velação para vararem a vazão de ar o ssema. As aálses serão realzadas edo-se como base as segues formações: O ssema erará durae 4000 horas o ao, sedo 400 horas com vazão de 8 m³/m, 500 horas com vazão de 3 m³/m e 00 horas com vazão de 8 m³/m A arfa de eerga elérca é de 0,30/kWh. A. Cosumo de moores da lha padrão e alo redmeo Coforme aerormee mecoado a aálse esá drecoada à ulzação de um moor de alo redmeo em subsução a um da lha padrão. De acordo com os resulados descros aerormee, obeve-se aos resulados exbdos a Fg. 2. oêca (Was) azão (m³/m) Fg. 2: Curva oêca x vazão ara moores de baxa poêca, como o do presee esudo (,5 C), percebe-se que para deermados valores de vazão, os valores de poêca são dêcos, ou aé mesmo são maores para o moor da lha de alo redmeo. orém, para equpameos de maor pore espera-se que essa caracerísca seja meos marcae. A parr da aálse do gráfco, e dos dados coleados é possível deermar os valores de poêca em fução da vazão, coforme valores dcados a Tabela.
5 TABEA : ENSAIO UTIIZANDO MOTORES ADRÃO E DE ATO RENDIMENTO azão [m³/m] S [kw] [h] [kw] 8 0,86 0, ,998 0, ,365, Toal 4000 A parr dos dados da abela, e de (), (2), (3), (6), (8), (9), (0), (), e (2), e ada sabedo-se que: Cuso do moor,5 C da lha padrão: 200,00 Cuso do moor,5 C alo redmeo: 260,00 esp = 0,30 Taxa de juros de % ao mês e axa de aumeo do cuso da eerga elérca de 0,2% ao mês Tem-se que: ao = 73,6 kwh e % = 4, 2% aual = 52, 08 e = 4,34 = 4 meses = 0, 7984% = 5 meses U = 2308,88kWh $632, 66 S = R C = 409, 57. Com base os valores ecorados acma, percebe-se que a subsução de moores é ecoomcamee vável, pos sabedo-se que a vda úl méda do moor é de 3,3 aos, em apeas 5 meses o capal já erá sdo recuperado. B. Corole de vazão por Damper e Iversor de Freqüêca A aálse agora cosdera a ulzação de um versor de freqüêca em subsução ao radcoal damper ulzado para varar a vazão de ar em ssemas de velação. Os resulados podem ser observados a Fg. 3. oêca (Was) azão (m³/m ) Damper Iversor Fg. 3: Curva oêca x vazão com corole de velocdade A parr da aálse do gráfco e dos dados coleados o esao, é possível ecorar os valores de poêca em fução da vazão. Assm, pode-se cosrur a Tabela 2. TABEA 2: ENSAIO UTIIZANDO DAMER E INEOR DE FREQUÊNCIA azão S [m³/m] [kw] [kw] [h] 8 0,86 0, ,998 0, ,365, Toal 4000 Segudo a mesma meodologa do esao aeror, a parr dos dados da abela, ulzado (3), (4), (5), (6), (8), (9), (0), (), e (2), e ada sabedo-se que: Cuso médo do versor de freqüêca para um moor de,5 C: 700,00 esp = 0,30 Taxa de juros de % ao mês e axa de aumeo do cuso da eerga elérca de 0,2% ao mês da úl do versor: 0 aos Tem-se que: ao = 245,kWh e % = 54% aual = 643,53 e = 52,63 = 4 meses = 0, 7984% = 5 meses U = 24kWh $5723, 30 S = R C = 9795, 57. Não obsae aos resulados relacoados à efcêca eergéca, é mporae que se faça ambém uma aálse relacoada à qualdade da eerga elérca, pos os versores causam dversos pos de dsúrbos a rede, e sso pode gerar complcações em deermados equpameos. ara mmzar esses problemas é comum a ulzação de flros de dsorções harmôcas, porém, a ulzação desses equpameos deve ser cluída o esudo de vabldade ecoômca de mplemeação do versor de freqüêca o ssema. I. OBSERAÇÕES FINAIS Aravés dos aspecos observados ese rabalho, é possível perceber que o uso de equpameos mas moderos e efcees em ssemas de velação como moores de alo redmeo, e versores de freqüêca, apreseam grade mporâca para a ecooma de eerga. Além dsso, é mporae ressalar que maores valores de ecooma de eerga serão alcaçados para os valores meores de vazão mas dsaes do valor omal, e que oda a meodologa desse rabalho pode ser aplcada para qualquer ssema de velação, sedo que para ssemas de maor pore os valores absoluos ecoomzados serão mas elevados. resa-se ada, agradecmeos à Elerobrás pelo supore facero para a capacação do aboraóro de Ssemas Morzes da Uversdade Federal de Uberlâda. REFERÊNCIAS [] A. N. C. aa. rograma de Efcezação Idusral, Módulo veladores e exausores. Elerobrás/rocel, [2] S. F.. Slva e Ouros. Especfcação para um aboraóro de Efcêca Idusral. II CBEE, óra-es, [3] J. C. Adreas. Eergy effce elecrc moors Seleco ad applcaos. Marcel Decker Ic. New York, 982. [4] E. ocaell. rograma de Efcezação Idusral, Módulo Moor Elérco. Elerobrás/rocel, 2004.
Exemplo pág. 28. Aplicação da distribuição normal. Normal reduzida Z=(900 1200)/200= 1,5. Φ( z)=1 Φ(z)
Exemplo pág. 28 Aplcação da dsrbução ormal Normal reduzda Z=(9 2)/2=,5 Φ( z)= Φ(z) Subsudo valores por recurso à abela da ormal:,9332 = Φ(z) Φ(z) =,668 Φ( z)= Φ(z) Φ(z) =,33 Φ(z) =,977 z = (8 2)/2 = 2
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