Aproveitamento da energia da água de chillers

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1 Aproveitamento da energia da água de chillers Gessen Souza Teixeira¹ Michel Brondani 2 Ademar Michels³ Flávio Dias Mayer 4 Ronaldo Hoffmann 5 Resumo: Apesar de grande parte da matriz energética brasileira ser de origem renovável, a redução do consumo de energia é cada vez mais necessária na busca da sustentabilidade. Nesse sentido, ações de eficiência energética são cada vez necessárias. Visando aplicar tais conceitos no setor industrial de produção de alimentos, que consome grande parte da energia produzida no Brasil, foi avaliado a possibilidade de utilização da energia contida na água de resfriamento de carcaças em uma indústria de beneficiamento de frangos antes de ser destinada a estação de tratamento de efluentes. A avaliação se baseou na quantidade de energia economizada com a instalação do sistema de recuperação da energia da água dos chillers e na avaliação econômica através da MTIR. Os resultados mostram viabilidade tanto energética como econômica, com redução do uso de energia em 99,63 kw correspondendo a R$ ,18 por mês (R$ ,16 por ano). A MTIR obtida foi de 22%, acima da taxa mínima de 18%. Tais resultados corroboram para incentivar ações de eficiência energética, e dessa forma, manter a mesma produtividade e qualidade do produto, com menor utilização de energia. Palavras-chave: Aproveitamento de Energia, Eficiência Energética, Transferência de Calor. 1- Gessen Souza Teixeira - Acadêmico do curso de Especialização em Eficiência Energética Aplicada aos Processos Produtivos (CEDEAP/UFSM) e mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (UCS). 2- Michel Brondani - Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos (PPGEPro/ UFSM) - (mbbrondani@gmail.com, Telefone: (55) ) 3- Ademar Michels - Professor do curso de Especialização em Eficiência Energética Aplicada aos Processos Produtivos (CEDEAP/UFSM) 4- Flávio Dias Mayer -Professor do Departamento de Engenharia Química/UFSM 5- Ronaldo Hoffmann -Professor do Departamento de Engenharia Química/UFSM

2 1. Introdução O crescimento e desenvolvimento populacional e industrial vêm acompanhados do aumento do consumo de energia. No entanto, o fato da grande parcela da energia consumida e disponível ser oriunda de fontes não renováveis, torna inevitável a busca por alternativas de energia renováveis e ações de eficiência energética. Segundo a IEA (2013), apenas 13% da matriz energética mundial é proveniente de fontes renováveis, no entanto, o Brasil tem considerável parcela de sua matriz energética oriunda de fontes renováveis de energia com cerca de 47,2%, segundo BEN (2012). Em 2014, essa porcentagem foi de 41% em virtude da estiagem sofrida nesse período (o que reduziu a produção de energia nas hidrelétricas), mesmo assim, o Brasil possui uma porcentagem de energia renovável em sua matriz energética substancialmente superior a mundial, podendo ser considerado um exemplo de sustentabilidade. Entre os setores que consomem a energia produzida, o setor industrial brasileiro é responsável pelo maior consumo, com cerca de 33,9%, e com destaque para o setor de produção de alimentos (em especial os derivados de carne). Mesmo consumindo mais energia renovável do que a média utilizada na indústria brasileira (CNI, 2012), a indústria de produção de alimentos deve fomentar a busca por alternas de eficiência energética a fim de manter a mesma produtividade, mas com um menor consumo energético. De acordo com CNI (2010), a produção anual média de derivados de carne entre os anos de 2000 e 2005 foi de ,17 mil toneladas. Do total de energia consumida por esse setor, aproximadamente 61% foi destinada a produção de frango (incluindo o abate e preparo das aves). A Tabela 1 mostra o consumo energético na cadeia produtiva de derivados de carne, evidenciando a maior utilização de energia no setor produtivo de frango.

3 Tabela 1 - Consumos energéticos específicos, em MJ/t, de produtos da indústria de alimentos de derivados de carne. Cadeia produtiva FM CP1 CP2 AD1 AD2 Refrigeração Iluminação Total Carne bovina Carne suína Frango Abate e preparo de aves FM = Força Motriz; CP1 = Calor de Processo (vapor); CP2 = Calor de Processo (água quente); AD1 = Aquecimento Direto (fornos); AD2 = Aquecimento Direto (secadores). Fonte: Adaptado de CNI (2010). A partir da Tabela 1 é possível perceber o elevado consumo de energia no setor industrial de produção e abate de frangos em comparação com o setor bovino e suíno, o que induz a de ações de eficiência energética a fim de aproveitar as perdas de energia que comumente acontecem nesse setor industrial e, dessa forma, reduzir custos financeiros em função de um menor consumo de energia. Assim, este trabalho teve por objetivo calcular a energia perdida no descarte de águas residuais em uma indústria de produção de frangos, bem como a apresentação de um sistema para aproveitamento dessa energia descartada. Em paralelo, foi realizada uma análise financeira do aproveitamento da energia perdida a partir do sistema proposto. 1.1 Indústria de produção de frangos O processo industrial de beneficiamento de carne de frango inicia-se pela recepção de aves vivas e segue pelos demais setores em um fluxo contínuo e ordenado, conforme é resumido pelo fluxograma mostrado na Figura 1. Seguindo o objetivo proposto nesse trabalho, a avaliação da recuperação da energia perdida nesse processo produtivo foi realizada na etapa de resfriamento das carcaças. O resfriamento industrial de carcaças de frango é normalmente efetuado em tanques de imersão em água gelada, tipo rosca sem fim ou helicoidal, industrialmente denominados chillers. O eixo em forma de helicoide faz com que as carcaças de frango

4 sejam conduzidas do início ao fim do tanque por um tempo predeterminado, podendo haver mais de um chiller de acordo com a quantidade de frango beneficiado. Como é necessário a manutenção da baixa temperatura dentro do chiller, a produção de água gelada no abatedouro é, geralmente, feita utilizando um compressor de amônia em paralelo com o sistema de climatização, implicando em custos financeiros de produção de água gelada. A renovação da água gelada dos chillers, durante a operação, deve ser constante e em sentido contrário à movimentação das carcaças (contracorrente), na proporção mínima de 1,5 (um e meio) litros por carcaça no primeiro estágio (pré-chiller) e 1,0 (um) litro no último estágio (chiller final). A temperatura da água gelada do sistema de pré-resfriamento não deve ser superior a 4 ºC (Portaria 210/98 MAPA) e a temperatura no ponto mais quente não deve ultrapassar 16 ºC. Assim, a energia contida na água de saída dos chillers (água razoavelmente fria) pode ser reaproveitada para o pré-resfriamento da água de alimentação dos chillers ao invés de ser destinada diretamente a unidade de tratamento de efluentes, como normalmente ocorre.

5 Figura 1 - Fluxograma de produção de um frigorífico de abate de aves (100% cortes).

6 2. Metodologia O presente estudo consistiu na implementação de um sistema para reaproveitamento da água fria proveniente dos chillers de resfriamento de carcaças de frango. Esse sistema foi desenvolvido a partir de um sistema de recuperação constituído basicamente por cinco partes: peneira rotativa (pré-tratamento), sistema acumulador de água, trocador de calor, sistema automático de limpeza CIP (Clean In Place) e de controle e operação IHM (Interface Homem Máquina), mostrado esquematicamente na Figura 2. Figura 2 - Sistema geral para recuperação e aproveitamento da energia da água dos chillers. O pré-tratamento da água dos chillers torna-se necessário, pois esta água contem impurezas (como gorduras) provenientes dos frangos. A utilização desta água no trocador de calor torna-se inviável sem que antes seja feito a separação dos resíduos, sendo a remoção dessas impurezas realizada com utilização uma peneira rotativa com capacidade de 25 m³/h, operando com água resfriada a 8 ºC.

7 Após passar pela peneira rotativa, a água do chiller é acumulada em um reservatório de 2,31 m³ feito de polipropileno. A escolha do material se deu em função do baixo custo quando comparado com o aço e pela boa resistência térmica A limpeza do sistema através do CIP, em circuito fechado, torna-se necessária para promover a manutenção de todo o interior dos equipamentos, tubulações e tanques de armazenamento, através da remoção de resíduos de alimentos e bactérias. Para este projeto foi adquirido um tanque pulmão para solução CIP (água + soda cáustica) em aço inox com capacidade de 200 litros. O sistema completo ainda possui os seguintes dispositivos: - Conjunto de controle e indicação da temperatura da solução CIP com válvula solenóide, filtro, válvula de bloqueio e conexões de interligações na entrada de vapor da serpentina do tanque CIP; - Sistema de drenagem de condensado da serpentina do tanque CIP, com válvula de bloqueio, purgador, retenções e conexões de interligações; - Sensores de nível para o tanque de solução CIP; - Bomba para a circulação da solução CIP entre o trocador de calor e o tanque pulmão da solução, com intervalo do CIP ajustável via IHM. O sistema é todo automatizado, ou seja, possui um controlador de fluxo na linha de água ambiente, assim, quando o fluxo é interrompido o sistema interpreta que deverá ser desligado, entrando automaticamente o sistema CIP. Após o sistema CIP operar, o equipamento fica em stand-by até o fluxo ser reestabelecido voltando a acionar o sistema. O sistema CIP ainda possui uma função manual, de maneira que se houver necessidade de limpeza, o operador poderá colocar o sistema em funcionamento, fazendo o ciclo completo. A operação do sistema é feita através de uma IHM de controle onde pode ser visualizada a indicação das temperaturas de entrada e saída do trocador de calor, bem como a vazão de água. A central IHM possui saídas para comandar a peneira rotativa e a bomba centrifuga da água gelada, ou seja, quando o sistema é acionado, a peneira e a bomba centrifuga da água gelada também são acionadas. O sistema possui uma bomba para água gelada com vazão nominal de 25 m³/h com inversor de frequência com uma rampa de partida de 10 minutos, o inversor modula conforme a quantidade de água gelada no reservatório, ou seja, quando o nível está baixo a rotação da bomba diminui e quando está alto a bomba aumenta a rotação mantendo o nível do tanque constante.

8 Após o pré-tratamento, a água oriunda dos chillers, é conduzida através de tubulação isolada para entrada de um trocador de calor do tipo placas onde realizará a troca térmica com água potável com temperatura em torno de 24 ºC (temperatura média ambiente). Água potável passará, primeiramente, nesse trocador de calor proposto, onde será pré-resfriada utilizando a água dos chillers e em seguida esta água entrará no trocador de calor água/amônia (já existente) onde será feito o complemento da redução de temperatura até aproximadamente 1 ºC (temperatura ideal). Nesse estudo, deu-se ênfase na análise energética, somente ao do trocador de calor, sendo os demais equipamentos do sistema apenas considerados em termos da análise econômica. O trocador de calor proposto para a troca térmica (Figura 1) é do tipo placas e quadros, pois suas características permitem o ajuste de sua capacidade com o aumento da demanda de transferência de calor mediante uma simples adição de placas. Esses trocadores são bem adaptados para aplicações de troca de calor líquido-líquido (nesse caso água dos chillers e água potável de alimentação dos chillers), desde que os escoamentos dos fluidos quentes e frios estejam na mesma pressão ou em pressões próximas, de acordo com Çengel e Ghajar (2012). As condições operacionais do trocador de calor são: - Vazão de água na entrada do trocador de calor de 25 m³/h com pressão de 3 bar (lado frio); - Temperatura da água na entrada do trocador de calor de pelo menos 6 ºC (água do chiller, ou seja, lado frio); - Vazão de água (temperatura ambiente) na entrada do trocador de calor de 35 m³/h com pressão de 4 bar (lado quente); - Temperatura da água na entrada do trocador de calor a 24 ºC (lado quente). Ainda, a temperatura da água na saída do trocador de calor é calculada para atingir ao mínimo possível conforme o dimensionamento adotado (levando em conta a relação custo benefício para a aquisição do equipamento) e considerando o melhor aproveitamento energético do sistema. A Figura 3 representa o esquema detalhado analisado para recuperação e utilização da energia contida na água dos chillers.

9 Figura 3 - Esquema detalhado para recuperação e aproveitamento da energia da água dos chillers. Os cálculos foram desenvolvidos através do balaço de massa e energia nos sistemas avaliados. O cálculo da quantidade de calor foi relizado através da Equação (1). = m. c p T (1) Q Onde: m = vazão volumétrica (kg/h ou m³/h); cp = capacidade calorífica (kcal/kg.ºc) e ΔT = diferença de temperatura (ºC). A avaliação econômica foi realizada de acordo com a Taxa Interna de Retorno Modificada (MTIR) ou TIR Modificada, pois é considerada o principal parâmetro para análise econômica de projetos. Para o projeto de eficiência energética proposto, o valor da MTIR assumido deve ser de no mínimo 18%.

10 A Equação (2) foi usada para o cálculo da MTIR. 1 VPL (taxa r,valores [positivos]). (1+taxa r)n MTIR = ( ) n 1 VPL (taxa f,valores [negativos]). (1+taxa f) 1 (2) valores i (1+taxa) i n Onde: VPL = i=1 ; taxa f = é a taxa de juros paga sobre o dinheiro usado nos fluxos de caixa ; taxa r = é a taxa de juros recebida nos fluxos de caixa ao reinvesti-los. 3. Resultados e Discussões Para efeito de cálculo, foi determinado o levantamento da quantidade média de litros de água por ave em cada chiller de resfriamento bem como a temperatura na saída dos chillers, no período de janeiro a agosto de A Tabela 2 mostra os resultados. No período avaliado, a média diária de aves abatidas foi de ,8. Considerando o número médio de aves abatidas e uma jornada de trabalho de 16,9 h/dia, tem-se uma média de 9.938,57 aves/h. A fim de garantir um coeficiente de segurança nos cálculos, a média considerada foi de aves/h. Tabela 2 - Quantidade de água de renovação dos chillers e temperatura média na saída dos chillers. Etapa do processo Consumo de água (L/ave) T média (ºC) Pré-chiller 1,5 12,97 Chiller intermediário 0,2 1,96 Chiller final 1,0 1,03 Como não houve grandes variações na quantidade aves abatidas no período avaliado, a quantidade de renovação de água foi considerada como constante para o cálculo de recuperação da energia perdida na água dos chillers. Com os dados da Tabela 2 e a análise do volume de controle 1 (Figura 4), foi calculado a quantidade total de água que será enviada para o acumulador.

11 Figura 4 - Volume de controle 1 (balanço de massa e energia da água em cada chiller) A partir de uma balanço de massa e posterior balanço de energia, pode-se calcular a quantidade de água de saída do volume de controle 1 e a temperatura média de saída da água no volume de controle 1, respectivamente. A quantidade de água na saída foi de L/h (27,54 m³/h), obtida a partir do balanço de massa em que a quantidade de água que entra no volume de controle 1 é igual a que sai. Assim: m 4 = m 1 + m 2 + m 3 Raciocínio análogo pode ser feito para o balanço de energia, onde se pode obter a temperatura na saída do volume de controle 1. Assim:

12 t 4 = m 1. t 1 + m 2. t 2 + m 3. t 2 m 4 = 5,31 ºC Com tais dados e analisando o volume de controle 2 (Figura 5), é possível calcular a energia que pode ser removida da água de resfriamento que reabastece os chillers a partir da energia da água que sai dos chillers. Considerando o volume de controle 2, tem-se: - T4 = 5,31 ºC (temperatura da água do chiller na entrada do trocador de calor); - m5 = 35 m³/h (vazão da água potável na entrada do trocador de calor); - T6 = 24 ºC (temperatura da água potável na entrada do trocador de calor); - m4 = 27,54 m³/h (vazão de água do chiller na entrada do trocador de calor); - T5 =18 ºC (temperatura da água do chiller saída do trocador de calor, sendo assumida como parâmetro de projeto); - T7 = temperatura da água potável na saída do trocador de calor; - cp = 1 kcal/kg.ºc (capacidade calorífica da água, sendo assumido como constante em toda a faixa de temperatura analisada); - Ainda, T8 = 1 ºC (temperatura da água potável na saída do trocador água/amônia). Figura 5 - Volume de controle 2 (balanço de massa e energia no trocador de calor de placas).

13 Portanto, o calor retirado da água potável no trocador de placas (água/água) é: Q 1 = m 4. c p. (T 4 T 5 ) = ,6 kcal/h A carga térmica total a ser removida da água potável é: Q 2 = m 5. c p. (T 8 T 6 ) = ,0 kcal/h A carga térmica restante para ser removida pelo trocador amônia/água é: Q 3 = Q 2 Q 1 = ,4 kcal/h (água/água) é: A temperatura de saída da água dos chillers no trocador de placas proposto Q 1 = m 5. c p. (T 7 T 6 ) = ,6 kcal/h T 7 = 14,02 ºC A partir do potencial de calor removido da água de alimentação dos chillers, pelo trocador de calor proposto, foi calculado a performance dos refrigeradores de calor para avaliar a redução de potência possível de ser obtida. A performance dos refrigeradores é calculada e expressa pelo coeficiente de performance (COP = Q/W), sendo o mesmo obtido com o auxílio do software EES (Engineering Equation Solver), onde foi encontrado o valor de 4,082. Com o valor do COP e da carga térmica retirada da água pelo trocador de calor de placas (Q1), calculou-se a potência de compressão economizada. COP = Q 1 Wcp Wcp = 99,63 kw (o valor negativo refere se a quantidade de potência poupada)

14 A redução de energia com o trocador de placas pode ser visualizada na Tabela 3, tendo como base uma jornada de trabalho de 16,9 h/dia com 26 dias produtivos por mês e 12 meses por ano. Tabela 3 - Economia de energia. Economia diária 1.683,75 kwh/dia Economia mensal ,42 kwh/mês Economia anual ,06 kwh/ano Com há necessidade de instalação de uma bomba de recalque para a água gelada e também de um motor redutor de acionamento da peneira rotativa, há um acréscimo de energia no sistema de 100,89 kwh/dia (2.623,22 kwh/mês ou ,62 kwh/ano) tendo em vista que a potência da bomba ser de 0,75 cv e 0,5 cv do motor redutor. Assim, o balanço energético global fica em 1.582,86 kwh/dia (41.154,20 kwh/mês ou ,44 kwh/ano). Como o preço da energia na planta industrial analisada é de R$ 0,28/kWh, temse uma redução de custo de R$ ,18 por mês (R$ ,16 por ano). Para avaliar a viabilidade econômica de implantação do sistema proposto de recuperação de energia da água dos chillers, foi feito o levantamento dos custos necessários para aquisição, instalação e manutenção do sistema. A Tabela 4 mostra o orçamento dos equipamentos necessários. Tabela 4 - Orçamento dos componentes do sistema de recuperação de energia dos chillers. Equipamentos (inclui serviços) Total (R$) Skid trocador, sistema CIP, peneira rotativa e ,00 bomba Materiais elétricos ,00 Mão-de-obra elétrica ,00 Materiais mecânicos ,00 Mão-de-obra mecânica ,00 Mão-de-obra civil ,00 Total de equipamentos ,00

15 Para a manutenção dos equipamentos foi considerado 2% do investimento total, o que equivale a R$ 5.920,00 por ano (R$ 493,33 por mês). A Tabela 5 mostra os valores do investimento, recursos economizados e gastos com a implantação do projeto. Considerando uma taxa de financiamento de 12% e uma taxa de reinvestimento de 10%, tem-se uma MTIR calculada de 22%, acima do valor mínimo de 18%, viabilizando a aplicação da proposta. Tabela 5 - Cálculo da MTIR. Investimento R$ ,00 Economia Manutenção Ano 1 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 2 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 3 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 4 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 5 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 6 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 7 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 8 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 9 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 Ano 10 R$ ,16 R$ ,49 - R$ 493,33 MTIR 22% Fazendo um cálculo simples de payback (razão entre o total de investimento e o total de custo reduzido por ano), é possível prever que em 2,14 anos o sistema seria pago.

16 4. Conclusão Os cálculos mostraram que com a instalação do sistema de recuperação de energia, especialmente em relação ao trocador de calor do tipo placas, obteve-se uma redução de 99,63 kwh na sala de máquinas da geração de utilidade fria. Além de economizar R$ ,16 por ano na conta de energia, a instalação do sistema possibilita o desligamento de um compressor de amônia 150 cv, aliviando a operação da sala de máquinas. Economicamente, o sistema se fez aplicável já que se obteve um MTIR de 22% e um payback de 2,14 anos. Por fim, através de uma abordagem direta e simples, foi possível recuperar a energia contida na água de resfriamento de uma das etapas do processo de beneficiamento de frangos que, normalmente, seria enviada estação de tratamento de efluentes diretamente, e assim, desperdiçando seu potencial energético. Assim, foi possível aumentar a eficiência energética dessa etapa do processo através de seu uso como uma utilidade fria para pré-resfriamento da água de reabastecimento dos chillers.

17 Referências BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL (BEN). Relatório Final - Ano Base Elaborado pelo Ministério de Minas e Energia (MME) e Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Brasília, Brasil, 2012, 282 p. BRASIL. Portaria nº.210 de 10 de Novembro de Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Disponível em: < Acesso em: 5 nov ÇENGEL, Y.A; GHAJAR, A.J; Transferência de Calor e de Massa: Uma abordagem prática. 4ª Edição. Porto Alegre: Editora AMGH, p. CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA (CNI). Oportunidades de eficiência energética para a indústria p. CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA (CNI). Sustentabilidade na Indústria da Alimentação - Uma visão de Futuro para a Rio p. 2013, 500 p. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Renewables Information.