COMPORTAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO SOB O ENFOQUE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

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1 COMPORTAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO SOB O ENFOQUE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Marcos Vinícius Silva, Ronaldo Guimarães, Antônio Carlos Delaiba, Sérgio Ferreira de Paula e Silva, Décio Bispo Universidade Federal de Uberlândia - UFU, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia-MG, marcos_vs87@hotmail.com, ronaldoguimaraes@yahoo.com.br, delaiba@ufu.br, sergio@qes.com.br, deciobispo@yahoo.com.br Resumo O objetivo deste trabalho é estudar e analisar o comportamento de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética. A estratégia utilizada será através do controle da vazão. Na primeira situação o sistema hidráulico de bombeamento terá sua vazão controlada por válvula de estrangulamento. Complementando os aspectos anteriores a vazão será controlada pela variação da velocidade da bomba, a qual será realizada através de um inversor de frequência. Finalmente, será mostrada uma comparação do consumo de energia elétrica do sistema supramencionado, quando o mesmo é acionado por um motor de alto rendimento em substituição ao motor da linha padrão. Palavras-Chave eficiência energética, inversor de frequência, sistemas de bombeamento. CONDUCT OF A PUMPING SYSTEM UNDER THE FOCUS OF THE ENERGY EFFICIENCY Abstract The aim of this paper is to study and analyze the conduct of a pump system under the focus of energy efficiency. The strategy used is the control of its flow. In the first situation, the pump system s flow will be controlled by a valve. In addition to the previous aspects, the flow will be controlled by the pump s speed control, which will be achieved using a speed driver. Finally, this paper will also show a comparison between this system being set in motion by a high performance motor in substitution to the standard motor. Keywords energetic efficiency, pumping systems, variable-speed drive. I. INTRODUÇÃO A crise de abastecimento que assolou o país no ano de 2001 voltou a assombrar o governo e os setores industriais e de transporte em Esses fatos demonstraram que a energia elétrica é um insumo valioso e, dessa forma, deve ser usada de maneira racional [1]. Nesse sentido, a necessidade de eliminação de desperdícios, de aumento da eficiência dos equipamentos, além também da necessidade de se utilizar fontes alternativas de energia tem motivado programas governamentais, tais como o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), que tem o intuito de promover a racionalização da produção e consumo de energia elétrica de forma a reduzir os desperdícios e os custos da energia [2]. O uso eficiente da energia elétrica pode ser entendido como a utilização da menor quantidade possível de energia para realizar um trabalho sem que se perca qualidade e segurança [2]. No setor industrial, o maior potencial para a redução de consumo está nos sistemas motrizes, pois são responsáveis por cerca de 50% do total da energia elétrica consumida [1]. A otimização do consumo de energia elétrica no controle de vazão pode ser obtida através da possibilidade de se usar motores de alto rendimento ao invés de motores da linha padrão, o que já é um avanço no aumento da eficiência em sistemas industriais. Além disso, a maior economia é obtida quando se substitui o controle de vazão por válvulas estranguladoras por variação de velocidade do conjunto motor-bomba. Neste contexto, o foco deste trabalho é a otimização do consumo de energia elétrica em sistemas de bombeamento. II. ESTRUTURA FÍSICA DO LABORATÓRIO O desenvolvimento deste artigo foi realizado no Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia. Este laboratório é fruto de uma parceria com a ELETROBRÁS/PROCEL e é composto por quatro bancadas distintas, sendo cada uma correspondente a um tipo de carga acionada independentemente e, foi idealizado com o intuito de realizar pesquisas com foco na eficiência energética. A estrutura do sistema de bombeamento utilizado pode ser visualizada na Figura 1, juntamente com a designação dos principais componentes externos do painel. Esta bancada consiste de um protótipo de uma unidade de bombeamento fiel ao que pode ser encontrado na indústria. O módulo de carga é composto por dois reservatórios com capacidade de 100 litros cada, de material transparente (acrílico), sendo que o primeiro foi instalado na parte inferior da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios está instalado um duto de escoamento com uma válvula elétrica de retenção e um bypass, feito com uma válvula manual. Na saída da bomba centrífuga estão presentes uma válvula de retenção, uma válvula eletro-pneumática proporcional de estrangulamento e os transmissores de pressão e vazão. Em ambos os reservatórios foram instalados transmissores de nível. Todos os sensores mencionados têm seus indicativos monitorados (histórico, curvas e valores instantâneos) e mostrados no sistema supervisório da bancada.

2 III. O CONTROLE DE VAZÂO O desnível entre os reservatórios recebe o nome de altura estática de elevação e sua unidade é o metro (m). Representa a quantidade de energia por unidade de massa que a bomba precisa adicionar ao líquido para uma determinada vazão. As resistências, ou perdas na tubulação, são proporcionais ao quadrado da velocidade de escoamento do fluido; sua unidade também é o metro (m). Representam a energia, por unidade de massa, que o fluido necessita para vencer as resistências, permitindo a vazão especificada [3]. A relação entre a velocidade do fluido, área da seção da tubulação e a vazão é dada pela expressão definida na equação 1: Fig. 1. Visão geral da bancada do sistema de bombeamento. A válvula elétrica proporcional permite o controle de sua abertura através do supervisório, permitindo um controle preciso da vazão da bomba, simulando, portanto, o controle de vazão em sistemas industriais através das conhecidas válvulas de estrangulamento [1]. Além da válvula, o controle de velocidade através do inversor de frequência, pode também ser feito inteiramente através do sistema supervisório, que permite que se faça a escolha da vazão e, via CLP, busca automaticamente a velocidade necessária no conversor para a obtenção da vazão desejada. O diagrama orientativo mostrado pela Figura 2 permite uma melhor visualização das características do sistema. Maiores detalhes podem ser encontrados na referência [4]. Q V A - Vazão volumétrica. - Velocidade do escoamento. - Área da tubulação. Sendo assim, há um ponto comum entre as curvas do sistema e da bomba que representa o ponto de operação, aquele no qual a carga fornecida pela bomba é igual à exigida pelo sistema. Essa situação é mostrada da Figura 3. (1) Fig. 3. Curvas características do sistema e da bomba indicando o ponto de operação do sistema. Fig. 2. Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga. A. O controle de vazão com válvula de estrangulamento O método de utilização da válvula de estrangulamento no controle da vazão tem por objetivo alterar a vazão pela redução do diâmetro da tubulação apresentando, porém, um consequente aumento da resistência na curva do sistema. Ou seja, a vazão requerida é atingida pela mudança na curva característica do sistema ou tubulação [4]. Existem outros fatores que alteram a curva do sistema, como por exemplo: Alteração da pressão dos reservatórios; Variação da altura estática; Alterações na tubulação ou acessórios. Neste modelo de controle de vazão, a rotação da bomba permanece inalterada e a potência consumida aumenta para

3 suprir o aumento de carga na forma de aumento da pressão interna da tubulação. A mudança da vazão do sistema pelo fechamento da válvula produz então um aumento de pressão que pode ser ilustrado pela figura 4 na passagem do ponto A para o ponto B na ocorrência do estrangulamento de válvula. Na prática, observa-se que há uma relação aproximada entre a vazão (Q), a altura manométrica total (H) e a potência absorvida (P) e a rotação da bomba (N) [2]. Estas relações são conhecidas por Leis de Similaridade ou Leis de Afinidade, as quais são mostradas pelas equações (2) a (4). (2) A vazão é diretamente proporcional à rotação. (3) A perda de carga é proporcional ao quadrado da rotação. (4) Fig. 4. Controle de vazão por válvula de estrangulamento. B. O controle de vazão com inversor de frequência Existem também outros fatores que causam modificações na curva da bomba. Os mais importantes são as variações na rotação da bomba, no diâmetro do rotor, as características do líquido a ser bombeado, o tempo de serviço da máquina e alterações nas características da tubulação [4]. Portanto, ao contrário do que se percebe no controle de vazão por válvula de estrangulamento, no controle por variação da velocidade do motor, há mudança na curva da bomba e não na curva do sistema como observado anteriormente. Dos fatores citados, a variação de velocidade será o único estudado neste trabalho. A seguir, a figura 5 mostra como ocorre a mudança na curva da bomba devido à variação de sua rotação. A potência consumida pela bomba é proporcional ao cubo da rotação, confirmando assim o fato de que a variação da velocidade da bomba altera significantemente a potência elétrica absorvida pelo sistema motor-bomba. IV. METODOLOGIA APLICADA A SISTEMAS DE BOMBEAMENTO SOB ENFOQUE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Uma vez que as curvas do sistema e da bomba já são conhecidas, bem como os valores nominais do processo (vazão, densidade do fluido, etc.), pode-se calcular a energia elétrica total consumida pelo sistema [2]. A. Controle com válvula de estrangulamento: determinação da pressão Fig. 6. Pontos de operação para várias vazões com válvula de estrangulamento. Fig. 5. Comparação entre o controle da vazão por meio de válvula de estrangulamento e por controle de velocidade. Nota-se que na medida em que a rotação da bomba varia, surgem curvas paralelas que representam a operação da bomba para a velocidade resultante daquela rotação. Observa-se também que não há acréscimo na perda de carga representada pela curva HxQ. Pelo contrário, a área escura representa a economia de energia elétrica que se obtêm ao se usar o controle com inversor de frequência. Para se calcular a energia gasta pelo sistema de bombeamento quando é utilizado o controle da vazão pelo uso da válvula de estrangulamento é necessário que se encontre o ponto de operação da bomba de acordo com a vazão desejada. Para um determinado valor de vazão, é possível obter o valor da pressão correspondente, utilizandose as curvas características da bomba. Com esses dois parâmetros definidos ( Q e H ), pode-se estimar a potência hidráulica através da expressão (5):

4 (5) pressão são obtidas por outras curvas já que agora temos a variação da curva da bomba em função de sua velocidade como apresentado na figura 7. - Potência hidráulica (HP) - Densidade do fluido (g/cm³) - Vazão (m³/h) - Pressão (mca) Deste modo, com a pressão hidráulica calculada, tem-se a potência mecânica exigida no eixo do motor, a qual é calculada pela equação (6): (6) - Potência mecânica exigida pela bomba (HP). - Rendimento da bomba. Deve-se lembrar que o rendimento da bomba é fornecido pela curva característica fornecida pelo fabricante, as quais mostram os valores de rendimento em função da vazão da bomba. Geralmente nota-se a ocorrência de um rendimento máximo, a partir do qual o aumento da vazão decresce o rendimento. Em outras palavras, a partir deste ponto, a energia mecânica cedida à bomba é cada vez menos transformada em energia hidráulica devido à limitação da bomba em fornecer uma vazão maior do que aquela para a qual foi especificada. Assim, a potência total consumida pelo sistema motor bomba pode ser estimada, dividindo-se a potência requerida pela bomba pelos rendimentos do motor e do acoplamento, conforme ilustra a equação (7): (7) - Potência elétrica total (kw). - Rendimento do motor. - Rendimento do acoplamento. Como a energia elétrica cobrada depende não somente da potência, mas também do número de horas de operação do sistema, calcula-se a energia consumida em kwh: (8) Energia consumida (kwh) Número de horas de funcionamento B. Controle com inversor de frequência: determinação da pressão e velocidade No controle da vazão com inversor de frequência, os procedimentos usados são os mesmos daqueles utilizados no controle com válvula de estrangulamento, porém, a vazão e a Fig. 7. Pontos de operação para várias vazões com controle de velocidade V. VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL A. Apresentação dos ensaios A fim de verificar a veracidade de toda teoria apresentada até este momento, serão apresentados a seguir, os resultados comparativos obtidos em laboratório utilizando a estrutura apresentada na figura 1. Para apresentar a economia de energia obtida no processo de substituição da válvula pelo controle de velocidade, foram feitas quatro configurações diferentes no sistema de forma que, pode-se verificar também a diferença de consumo de energia elétrica entre o uso do motor da linha padrão e de alto rendimento. Foram realizados quatro ensaios experimentais, os quais estão indicados na tabela I. TABELA I Caracterização dos ensaios Caso Motor Controle de vazão 1 Convencional Válvula de estrangulamento 2 Alto Rendimento Válvula de estrangulamento 3 Convencional Inversor de frequência 4 Alto Rendimento Inversor de frequência Para plotagem e análise das curvas comparativas, em todos os quatro casos, a vazão foi variada, ou pelo uso da válvula de estrangulamento ou pela variação da velocidade do motor, dentro da faixa de 1,5 a 3 m³/h de acordo com a tabela II: TABELA II Pontos de operação ensaiados Ciclo Vazão (m³/h) 1 1, ,5 4 3

5 B. Comparações Com objetivo de efetuar a comparação entre cada caso, os dados foram agrupados e organizados convenientemente de forma a apresentar a economia obtida através de tabelas e curvas. A tabela III e a figura 8 demonstram a economia de energia elétrica obtida com a troca do motor convencional (linha padrão) pelo motor de alto rendimento ilustrando, assim, a comparação entre os casos 1 e 2. Pode-se observar que a economia na potência ativa é praticamente constante, ou seja, não depende do ponto de operação e vazão do sistema e permaneceu em torno de 8,5%. Potência (W) Caso 1 Caso TABELA III Comparação de desempenho entre casos 1 e 2 Ciclo Vazão (m³/h) Potência consumida Caso 1 Caso 2 Economia 1 1,5 971, ,30% , ,57% 3 2, ,67 7,42% ,38% Potência (W) Caso 1 Caso Vazão (m³/h) Fig.8. Comparação entre os casos 1 e 2. A tabela IV, juntamente com a figura 9, apresenta a economia de potência ativa quando se utiliza o controle de velocidade ao invés da válvula de estrangulamento no controle da vazão do sistema de bombeamento, ilustrando a comparação entre os casos 1 e 3, ou seja, o uso da válvula de estrangulamento e do inversor de frequência com o motor convencional. TABELA IV Comparação de desempenho entre casos 1 e 3 Potência consumida Ciclo Vazão (m³/h) N (RPM) (W) Caso 1 Caso 3 Economia 1 1,5 1700,43 971, ,50% , , ,40% 3 2,5 2642, ,31% , ,14% Fig. 9. Comparação entre os casos 1 e 3. A análise da comparação entre os casos 1 e 3 apresentada anteriormente já mostra como é expressiva a economia na potência ativa quando se utiliza o inversor de frequência. Nota-se economia expressiva de 75,5% no consumo de energia elétrica do conjunto motor-carga. Observando a situação a seguir, que ilustra a comparação dos casos 1 e 4, pode-se perceber que esta é a situação em que há a maior economia de energia já que o motor convencional foi substituído pelo motor de alto rendimento. Contudo, vale lembrar que a quantidade mais expressiva de economia se dá pelo fato do uso do inversor de frequência. A tabela V e a figura 10 ilustram essa situação. TABELA V Comparação de desempenho entre casos 1 e 4 Potência consumida Ciclo Vazão (m³/h) N (RPM) (W) Caso 1 Caso 4 Economia 1 1,5 1693,2 971, ,49% ,2 1008, ,80% 3 2,5 2590, ,32% ,13 20,25% Potência (W) Vazão (m³/h) Caso 1 Caso Vazão (m³/h) Fig. 10. Comparação entre os casos 1 e 4. Enfim, no que diz respeito à eficiência energética, a técnica aplicada proporcionou uma economia de até 78,49% da energia elétrica consumida em um sistema de bombeamento convencional. Entretanto, observa-se que esse potencial de redução do consumo de energia elétrica está diretamente relacionado com a proximidade do ponto de

6 trabalho nominal. Em outras palavras, quanto mais distante do ponto de operação nominal do sistema, maior será a economia de energia elétrica [2]. VI. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou de forma detalhada, as possibilidades de análises oferecidas pelo Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia proporcionado pelo convênio ELETROBRÁS/PROCEL/ UFU, no que se refere ao uso de sistemas de bombeamento [1]. O método de controle de vazão por meio da variação de velocidade que foi apresentado neste trabalho se pôs, frente aos resultados, de forma inquestionável quanto da sua eficácia no controle preciso e sistemático da grandeza em questão, mantendo essa grandeza praticamente invariável [2]. Portanto, o equipamento responsável por esse acionamento eletrônico, aqui citado como inversor de frequência, cumpriu, de fato, a função de controle da rotação, permitindo uma manipulação ainda robusta e simplificada da velocidade. Já o controle de vazão por meio de válvula deve ser evitado, pois aumenta a carga da bomba e o consumo de energia elétrica [3]. Além disto, deve-se também dimensionar a tubulação de modo a reduzir as perdas de carga, especificar a bomba para operar próximo ao seu rendimento máximo e evitar o superdimensionamento do motor. No que diz respeito à eficiência energética, a técnica aplicada proporcionou uma economia de até 78,49% da energia elétrica consumida em um sistema de bombeamento convencional. A troca do motor convencional pelo motor de alto rendimento, diferente do método de controle da vazão apresentado, proporcionou uma economia de energia elétrica praticamente constante ao longo de todos os ciclos de trabalho, independente da vazão escolhida. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Eletrobrás Procel Indústria pelo suporte financeiro para a capacitação do Laboratório de Sistemas Motrizes da UFU. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] A. C. Delaiba; D. Bispo; S. F. de P. Silva. Especificação de um laboratório de pesquisa e ensino de eficiência energética para ambientes industriais. Eletrônica de Potência, Florianópolis, v. 13, n. 4, p , nov [2] R. A. Ferreira; A. C. Delaiba; D. Bispo; S. F. de P. Silva. Metodologia de eficiência energética aplicada em sistemas de bombeamento. Eletrônica de Potência, Florianópolis, v. 13, n. 4, p , nov [3] J. B. de A. Dutra. A eficiência energética em sistemas de bombeamento de água. Eletricidade Moderna, São Paulo, n. 377, p.82-97, ago Mensal. [4] R. Guimarães. Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Janeiro de 2008.