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DOSSIÊ TÉCNICO Energia térmica na indústria: usos, eficiências e fontes Lothar Hoppe SENAI-RS Centro Nacional de Tecnologias Limpas SENAI Março 2012 Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 1 DOSSIÊ TÉCNICO Sumário 1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................................3 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS...............................................................................................4 2.1 Termodinâmica .....................................................................................................................4 2.1.1 Lei Zero da Termodinâmica ................................................................................................4 2.1.2 Primeira Lei da Termodinâmica ..........................................................................................5 2.1.3 Segunda Lei da Termodinâmica .........................................................................................5 3 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ...........................................................................6 3.1 Condução..............................................................................................................................7 3.2 Convecção ............................................................................................................................8 3.3 Irradiação ..............................................................................................................................9 4 CONCEITOS IMPORTANTES PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO .............10 4.1 Pressão ...............................................................................................................................10 4.2 Energia ................................................................................................................................11 4.3 Utilização da energia na indústria .....................................................................................12 4.4 Gestão de energia, resíduos e recursos ...........................................................................13 4.5 Energia elétrica...................................................................................................................14 4.6 Energia térmica..................................................................................................................14 4.7 Fontes de energia térmica .................................................................................................14 5 CONCEITOS E UNIDADES DE GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E CONSUMO ........................15 6 INTERAÇÃO ENTRE AS ENERGIAS DESCRITAS ..............................................................19 7 ALTERNATIVAS E PRÁTICAS .............................................................................................21 7.1 Recuperação de gases quentes de sistemas de exaustão de gases de combustão (chaminés) ................................................................................................................................21 7.2 Recuperação de energia em sistemas de ar comprimido................................................22 7.3 Aquecimento ou pré-aquecimento por energia termo solar............................................23 7.4 Apoio e pré-aquecimento de água por energia termo solar ............................................24 7.5 Escolha do equipamento correto ......................................................................................25 8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES..................................................................................25 9 REFERÊNCIAS........................................................................................................................25 Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 2 DOSSIÊ TÉCNICO Título Energia térmica na indústria: usos, eficiências e fontes Assunto Produção de energia elétrica (hidráulica, térmica, nuclear, eólica, solar, etc.) Resumo O setor industrial responde por cerca de 40% do consumo global de energia do país. A energia térmica (calor) é utilizada de forma intensa nos mais diferentes segmentos, porém os estudos mais exaustivos e aprofundados no que diz respeito à energia estão voltados para a energia elétrica. Segundo dados da Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento Industrial UNIDO e da Confederação Nacional da Indústria – CNI, as maiores perdas de energia na indústria são constatadas na parte térmica. Este Dossiê apresenta as diferentes formas e usos do calor na indústria, onde ocorrem as perdas térmicas, quais as soluções para evitá-las e alternativas de fontes de geração de calor. Palavras-chave Calor; conservação de energia; eficiência energética; energia; energia térmica; gestão da energia; recuperação de calor Conteúdo 1 INTRODUÇÃO A motivação principal para a escrita deste texto é a constatação de que no setor empresarial há pouca preocupação com uma enorme quantidade de energia, principalmente térmica, desperdiçada. Com a utilização de tecnologias adequadas e com pouco investimento, esta energia pode ser reaproveitada, diminuindo o consumo energético nas indústrias. Os benefícios da "recuperação de calor" podem ser classificados em duas categorias que são: Benefício direto • A recuperação de calor tem um efeito direto sobre a eficiência do processo. Isto é refletido pela redução no consumo de energia e seus custos, e nos custos do processo. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 3 Benefício indireto • Redução da poluição: uma série de resíduos de combustíveis como o gás tóxico, monóxido de carbono, gás ácido, negro de carbono de gases, resíduos de hidrocarbonetos e outros produtos químicos, plásticos, entre outros, são liberados para a atmosfera pelos processos industriais ou quando queimados em incineradores. Desta forma, a recuperação do calor também contribui para a redução dos níveis de poluição ambiental. • A redução do tamanho do equipamento de despoluição: recuperação de calor reduz o consumo de combustível, o que leva a redução nos gases de combustão produzidos. Isso resulta na redução no tamanho de todos os equipamentos das unidades de tratamento de gás de combustão, tais como ventiladores, chaminés, dutos, lavadores de gases, queimadores, etc. • Redução no consumo de energia auxiliar: redução no tamanho dos equipamentos gera benefícios adicionais na forma de redução no consumo de energia auxiliar como a eletricidade para os fãs, ventiladores, exaustores, bombas, etc. Para apresentar o potencial de reaproveitamento de calor é necessária, primeiramente, a apresentação de conceitos fundamentais. 2 2.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Termodinâmica A Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho. Da Enciclopédia Britânica do Brasil apud Hoppe, 2010 temos termodinâmica como: a parte da física que estuda o comportamento e as transformações de energia que ocorrem na natureza. Mais especificamente, estuda as relações de equilíbrio entre estados energéticos, cujas principais fontes de manifestação são o calor e o movimento. Energia é puramente o potencial de um corpo em produzir alguma ação, trabalho. A Termodinâmica determina basicamente três leis ou princípios fundamentais. 2.1.1 Lei Zero da Termodinâmica Esta lei estabelece que, quando dois corpos estão em equilíbrio com um terceiro corpo eles estarão também em equilíbrio entre si. Com base nesta lei é possível medir temperaturas, uma vez garantido que dois corpos em equilíbrio têm a mesma temperatura, e o segundo corpo sendo um instrumento graduado, obtém-se a temperatura do corpo ou substância em questão. • O que é temperatura A definição mais usual é: temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas dos corpos. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 4 No entanto, é comum as pessoas confundirem temperatura com sensação térmica. Esta é mais relativa (intuitiva) porque é um sentimento humano que depende do metabolismo do indivíduo, suas vestimentas, umidade relativa do ar e velocidade do ar no ambiente em que este se encontra. Para obter valores reais e obter uma dada temperatura existem equipamentos graduados e calibrados que nos fornecem com uma grande precisão qual a temperatura dos corpos em avaliação. A graduação das escalas dos termômetros foi estabelecida a partir de dois pontos, e atualmente são utilizadas quatro escalas. Na Figura 1 mostramos as quatro escalas, a relação entre elas e os principais pontos de referência. Figura 1 - Escalas de temperatura Fonte: (ESCOLA SUPERIOR SETÚBAL, [201-?]) A Termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho. Esta relação acontece baseada em duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza. Estas duas leis são chamadas de: 2.1.2 Primeira Lei da Termodinâmica A variação líquida de energia de um sistema é sempre igual a transferência líquida de energia na forma de calor e trabalho. Esta é relativa ao princípio de conservação de energia aplicado a sistemas fechados onde operam mudanças de estado devido à transferência de trabalho e de calor através da fronteira. Este princípio é demonstrado pela Equação 1 abaixo, a variação de energia (E2 – E1) é igual a variação do calor (Q) menos o trabalho (W). E −E = Q − W 2 1 1 2 1 2 2.1.3 (1) Segunda Lei da Termodinâmica É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de uma região fria para uma região quente (lei da irreversibilidade). Esta indica qual a quantidade de calor de uma máquina térmica pode ser convertida em trabalho ou a qual a quantidade de trabalho que deverá ser fornecida para extrair uma quantidade de calor. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 5 • Calor Calor é um fenômeno físico bastante confundido com temperatura, no entanto ele só existe quando temos diferentes temperaturas. De acordo com Sonntag, Borgnakke e Van Wylen (2003) “O calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a um outro sistema (ou o meio) que apresenta uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois sistemas.” É importante observar que: • Um corpo nunca contém calor; • Calor é um fenômeno transitório; • Calor é definido como sendo a energia transferida através da fronteira de um sistema; • A transferência de calor sempre acontece da maior para a menor temperatura. Para um trabalho com sistemas térmicos o conhecimento do conceito de calor é de suma importância porque em todos os processos térmicos pretende-se de alguma forma proporcionar esta transferência de energia (calor) com a menor perda. O conhecimento do conceito também proporciona a compreensão, porque, se ao tomarmos dois recipientes de água a uma mesma temperatura e os colocamos sobre uma chama de igual intensidade o recipiente menor alcançará uma temperatura mais elevada de forma mais rápida. A unidade de calor é Joule (J), no entanto, também são utilizadas as unidades de Cal (calorias) e BTU (British Thermal Unit). Em sistemas térmicos as unidades mais utilizadas são Joule, Cal e BTU. O Quadro 1 apresenta a relação entre estas unidades. Joule (J) BTU Calorias (cal) Watt hora (Wh) 1 9.478E-4 0,2389 2,778E-10 1,055 1 252 2,931E-7 4,186 3,969E-3 1 1,163E-6 3600 3,409 859,184 1 Quadro 1 - Relação entre as unidades de calor Fonte: (Adaptado de SILVA; MORAES; ASSIS, 2010) 3 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR O conhecimento dos mecanismos de transferência de calor é da maior relevância para os profissionais interessados em eficiência de sistemas térmicos em geral. É por não dar atenção aos sistemas de transferência de calor que muitas instalações térmicas ficam com seu desempenho abaixo do esperado ou necessitam muito mais energia para obter o resultado esperado. • Calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. • Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios não isolados ocorrerá transferência de calor. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 6 • Está implícito na definição que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. • O calor é, portanto, um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os modos de transferência de calor são três. 3.1 Condução Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido em repouso, em virtude de um gradiente de temperatura. Uma expressão básica para a taxa de condução de calor em uma superfície plana (qcond), em [W/m2], é dada a seguir (EQUAÇÃO 2), em que (k) corresponde à condutividade térmica; (A), à área de troca térmica; e (x), à distância entre as superfícies quente e fria, respectivamente a (T1) e (T2). (2) A condutividade térmica é uma propriedade física dos materiais. Varia bastante: é naturalmente reduzida para os isolantes (ao redor de 0,1 W/m.K para o amianto e 1,0 W/m.K para os tijolos refratários) e apresenta valores elevados para os metais bons condutores de calor (entre 100 e 500 W/m.K para cobre, alumínio e metais nobres). Abaixo temos duas formas de aproveitamento do calor da chama a ser transferido por condução à panela. A primeira com o máximo de aproveitamento (FIG. 2) enquanto a segunda panela está com grande parte da chama fora da área de contato ou de transferência de calor (FIG. 3). Figura 2 - Bom aproveitamento de calor Fonte: (SILVA, c2011) Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 7 Figura 3 - Mau aproveitamento de calor Fonte: (Elaborado pelo autor) 3.2 Convecção Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. A expressão a seguir (EQUAÇÃO 3) mostra como se relacionam as variáveis: temperatura do fluido (Tf), temperatura da superfície (TS) e o coeficiente de transferência de calor (h) para determinar a taxa de troca térmica por convecção (qconv). (3) Observação: Para geometrias complexas, como nas caldeiras e nos trocadores de calor, esta expressão deve ser adaptada considerando as diversas situações envolvidas. O Quadro 2 apresenta valores típicos para o coeficiente de transferência de calor convectivo. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 8 Quadro 2 - Valores típicos para o coeficiente de transferência de calor convectivo Fonte: (CENTRAIS ELETRICAS BRASILEIRAS, 2005) Evidentemente a geometria e a velocidade do fluído são variáveis importantes, pois no regime turbulento a troca de calor é muito mais efetiva que sob regime laminar. 3.3 Irradiação Quando a transferência de energia se dá na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas. A irradiação térmica é o modo de transferência de calor determinado apenas pelo nível de temperatura do corpo e condições de sua superfície, realizado por meio de ondas eletromagnéticas, podendo ser sintetizado pela Equação 4, em que o calor trocado (qrad) é dado em função de um fator F1, que leva em conta a forma do corpo e as características radiativas (emissividade) de sua superfície, de sua área A1, de uma constante física, (Constante de StefanBoltzmann, igual a 5,6697 x 10-8), das temperaturas do corpo (T1) e do ambiente em torno desse corpo (T2). (4) Como este tipo de troca térmica depende de uma constante física de reduzido valor, apenas quando alguma das temperaturas envolvidas é elevada, geralmente acima de 1.000º C, é que a radiação passa a ser importante, como no caso das fornalhas das caldeiras. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 9 4 4.1 CONCEITOS IMPORTANTES PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO Pressão A pressão é uma das variáveis de processo mais importantes na geração e na utilização de vapor. A temperatura e o estado de um fluido térmico e também da água são diretamente relacionados com a pressão em que este se encontra. Pela tabela termodinâmica de “propriedades termodinâmicas da água” temos a relação anteriormente descrita (QUADRO 3). Quadro 3 - Propriedades da água saturada Fonte: (Adaptado de SONNTAG; BORGNAKKE; VAN WYLEN, 2003) A pressão (P) de um líquido sobre uma superfície é a força (F) normal que este líquido exerce por unidade de área dessa superfície (S) (EQUAÇÃO 5). Onde: F = força S = área da superfície (5) A pressão é usualmente apresentada de duas formas: absoluta e relativa. • Na forma de pressão absoluta (P), é referida a pressão zero absoluto. • A denominada pressão relativa, ou manométrica, referida à pressão atmosférica no local da medição (Patm), exercida pela coluna de ar existente na atmosfera, depende basicamente da altitude do local. A pressão manométrica, medida pelos manômetros, pode ser positiva (acima da pressão atmosférica) ou negativa (abaixo da pressão atmosférica). Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 10 A unidade é o Pascal (pa) no entanto utiliza-se também kg/cm2, Atm e outras. O Quadro 4 apresenta as diversas unidades e sua relação. 4.2 Energia Quadro 4 - Fatores de conversão de unidades de pressão Fonte: (ELETROBRÁS, 2005) Para podermos avaliar perdas ou recuperação de energia devemos primeiro ter bem resolvida a questão “O que é energia”. Todo processo industrial está baseado na transformação de matéria-prima ou produtos semiacabados em produtos finais de consumo. Esta transformação é possível mediante utilização de energia. No entanto, a energia que não é visível no produto final, foi agregada a este durante o processo. Isto nos remete a um conceito mais abstrato da mesma, poderíamos dizer que energia, como comumente é utilizada, é uma interação entre quantidades abstratas (às vezes místicas) e ações reais. Portanto, na literatura, energia pode ser considerada um trabalho associado a uma transformação. Para o Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa, energia é: Como substantivo feminino: “Poder de ação; vontade; força; vigor”. E como conceito físico: “Propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho ou faculdade que um corpo possui de produzir atividade ou trabalho.” (ENERGIA..., 2004). Afinal, no sentido físico e na pratica industrial, o que é energia? Simplificando fisicamente e traduzindo para a prática industrial podemos afirmar que, energia refere-se a uma grandeza escalar, que pode ser quantificada e que mede a capacidade de interação de um sistema. Sua unidade em SI é Joule, mas também é apresentada em kWh (kilo Watt hora), cal (calorias), BTU (British Thermal Unit). A energia existe de diferentes formas ou tipos: calor, luz, mecânica, elétrica, química, nuclear. Algumas destas são utilizadas em sua forma primária, sem necessitar de transformação, como Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 11 por exemplo, a queima de biomassa. Outras para serem utilizadas passam por grande transformação, como a energia elétrica. No Brasil, na sua maioria a energia elétrica é gerada a partir da energia hídrica. A energia potencial de vazão e desnível de um rio é transformada em energia elétrica transportável até o ponto de consumo onde é consumida como tal ou retransformada em energia mecânica, luminosa, térmica ou potencial hídrica novamente. Na Figura 4 abaixo temos diferentes tipos de energia na sua forma primária (primeira coluna), sua transformação (segunda coluna) e a forma de utilização na terceira coluna. Figura 4 - Fontes de energia renovável e não renovável Fonte: (FONTES..., 2009) O processo de armazenamento de energia se dá de diferentes formas que podem ser reservatórios de hidroelétricas, gelo, tanques de petróleo ou derivados, plantação de biomassa, etc. Em um processo de fabricação de um produto a energia pode ser agregada na forma de esforço humano, energia mecânica, energia térmica ou energia elétrica. E, esta pode ser utilizada direta ou indiretamente. 4.3 Utilização da energia na indústria As indústrias em seus processos utilizam diferentes energéticos e os transformam na forma de energia necessária, como veremos na continuidade deste texto, pela segunda lei da termodinâmica. Não existe transformação ou conversão de energia sem perdas, conforme é mostrado na Figura 5, abaixo. As perdas, em última análise, são na forma de calor por esta razão a importância e atenção a este assunto. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 12 Figura 5 – Formas de perdas de calor em um processo (recuperáveis e irrecuperáveis) Fonte: (US DEPARTMENT OF ENERGY; INDUSTRIAL HEATING EQUIPMENT ASSOCIATION, 2007) Existem “perdas” recuperáveis que serão apresentadas no final do texto. Antes, devemos ter claros os conceitos para poder decidir quais das perdas térmicas são recuperáveis. 4.4 Gestão de energia, resíduos e recursos Normalmente a gestão da energia é observada a partir do comercial da empresa. A contabilidade das empresas normalmente se preocupa em ratear o custo apresentado nas faturas de energia proporcionalmente entre os produtos manufaturados. Gestão de energia significa mais do que o seu rateio assim como a matéria prima, a produção, o estoque. O insumo energético também deve sofrer uma gestão. Isto deve ser através da definição de uma política de energia para a empresa que contemple, além da sua visão para o desempenho energético da empresa, a definição de metas e objetivos concretos e mensuráveis. Assim como as empresas definem e implantam sua política de qualidade a política energética da empresa também deve traduzir os objetivos da organização em relação à gestão e o consumo de energia no médio e longo prazo, que tipo de fontes energéticas pretende utilizar e os indicadores de desempenho que a empresa pretende alcançar na área da energia. Cabe ressaltar que a grande maioria tem na sua planta várias energias e utiliza vários energéticos. Com a nomeação ou contração de um gestor de energia a empresa inicia um papel fundamental nos esforços da organização no que diz respeito à racionalização de consumos e gestão eficiente de energia. Este deverá ter uma preocupação diária com os custos energéticos e a forma como a energia é consumida na empresa, de forma a mais facilmente encontrar soluções que conduzam a um melhor comportamento energético implantando formas de estabelecer recuperação de resíduos térmicos e ou implantar utilização de energias renováveis. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 13 A gestão da energia tem hoje um forte apelo organizacional e comercial que é a implantação da norma ISO (International Organization for Standardization) 50001, que utiliza diferentes instrumentos e ferramentas para o seu melhor desempenho, dentre as quais a principal é a ferramenta PDCA (Plan, Do, Check, Act). 4.5 Energia elétrica Neste texto apresentamos a energia elétrica de forma bastante resumida porque o assunto é energia térmica nas indústrias. Deste ponto de vista, a eletricidade é apenas um energético, importa-nos quando utilizada como fonte térmica e quando participa de uma instalação que tem grande quantidade de resíduo térmico como um sistema de ar comprimido. A energia elétrica é a forma de energia mais utilizada, e funciona à base da diferença de potencial que faz deslocar os elétrons. Na maioria das vezes, é proveniente de uma transformação de energia mecânica que pode ser um potencial hídrico ou um potencial térmico que por turbinas conectadas a geradores geram a energia. Como já mostramos antes é uma energia secundária, pois necessita de uma energia primária para ser gerada. Mesmo a chamada energia renovável como a eólica utiliza o mesmo princípio que é o de transformar a energia do vento em potencial elétrico. Isento deste processo é a energia elétrica proveniente de reações químicas como baterias, no entanto estas fontes ainda são limitadas. O que a torna a energia mais utilizada a sua versatilidade. A energia elétrica é fácil de ser transportada por redes elétricas, quando de posse de uma empresa ou residência é reconvertida em energia mecânica ou térmica. A facilidade de por intermédio de motores de alto rendimento obter um potencial mecânico ou por um componente chamado de resistor obter a energia térmica faz com que seja cada vez mais utilizada. 4.6 Energia térmica O conceito de energia foi elaborado no século XVIII a partir da ideia de trabalho mecânico. Sua extensão ao calor data dos meados do século XIX. De forma bastante genérica, podemos definir energia como o que deve fornecer ou retirar a um sistema material para transformá-lo ou deslocá-lo (ODUM, 1981apud DEBEIR; DELÉAGE; HÉMERY, 1993). Desta forma podemos utilizar uma delas como padrão e unidade de medida para as demais. Como este século era o do início da máquina a vapor, dois princípios básicos de energia foram definidos a partir da energia térmica. Neste texto optamos em descrever os conceitos que fundamentam a energia térmica e sua análise. Para isto vamos iniciar pelas fontes de energia térmica, os geradores de calor e a forma de recuperar os resíduos disponíveis em uma empresa. 4.7 Fontes de energia térmica A fonte de energia térmica pode ser natural ou “artificial”. Consideramos de fontes naturais as que não necessitam de combustíveis, são elas geotérmica e solar térmico. A primeira ainda pouco utilizada pela pouca disponibilidade de fontes térmicas geotermais. A segunda, solar térmica, é bastante utilizada para fins residenciais, no entanto pouco para fins industriais. A utilização da energia solar térmica para sistemas de pré-aquecimento ou sistemas de secagens geraria uma grande economia para os processos industriais. A fonte térmica mais utilizada é a tradicional transformação do combustível em calor por queima (transformação química) em fornalhas de caldeiras ou aquecedores. Este combustível pode ser GN (gás natural), GLP (gás liquefeito de petróleo), biomassa, na forma “in natura” (lenha ou Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 14 bagaço), biomassa na forma de carvão, combustíveis líquidos (diesel, gasolina, óleo combustível) ou mesmo eletricidade que não é um processo de queima, mas é uma transformação física pelo efeito de Joule. O maior rendimento dos processos térmicos é em altas temperaturas ou com o aproveitamento do calor latente, por exemplo, com processos de mudança de fase do fluido térmico. Para os combustíveis citados anteriormente o equipamento normalmente utilizado em processos térmicos industriais é a caldeira. Esta é um recipiente de aço e opera a uma pressão acima da pressão atmosférica, com isto permite que fluidos como a água possam operar acima da temperatura de 100° C e em situação de mudança de fase. Nesta altura do texto devemos fazer uma distinção de caldeiras que são geradores de vapor e geradores de calor ou aquecedores de fluidos. A caldeira já descrita anteriormente é normalmente utilizada para gerar vapor de fluidos térmicos e opera em temperaturas mais elevadas. Geradores de calor, no entanto operam em temperaturas mais baixas, não são circuitos com fluido térmico pressurizado. A preocupação deste trabalho é exatamente com a energia utilizada nestes sistemas de baixa temperatura chamados de geradores de calor ou aquecedores térmicos. Este sistema em grande parte das empresas pode ser obtido com baixo custo. No entanto, observamos que na maioria das indústrias quando necessitam de temperaturas não muito elevadas reduzem a energia de fluidos na forma de vapor por meio da dispersão de grande parte da energia nele contido para o meio ambiente. Desperdiçando energia, logo combustível, qualquer que seja. Nestes casos o mais econômico seria avaliar a possibilidade de reutilizar um resíduo térmico de um processo térmico ou mecânico na planta industrial. Esta recuperação pode ser feita utilizando equipamentos adequados, existentes no mercado, como trocadores de calor. Calor de baixas temperaturas também está disponível em sistemas de ar comprimido e em bombas de calor, portanto disponível para ser utilizado. Para promover a transformação de energia térmica disponível em energia térmica útil e obter um bom rendimento do mesmo é preciso rever mais alguns conceitos da termodinâmica, bastante úteis. 5 CONCEITOS E UNIDADES DE GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E CONSUMO Entalpia - Compreender o significado da entalpia requer conhecer o problema que lhe deu origem e o encaminhamento da solução. No entanto, simplificando, temos que entalpia é a grandeza física que descreve a energia interna total de um sistema. No Sistema Internacional de Unidades a unidade da entalpia é o Joule (J), ela é representada pelo símbolo H. Demonstra-se na Equação 6: H = U + pV (6) Onde: H = Entalpia U = Energia interna p = Pressão do sistema V = Volume do sistema Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 15 Entropia - É uma grandeza termodinâmica geralmente associada ao grau de desordem num sistema físico. Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho. É uma função de estado cujo valor cresce durante um processo natural em um sistema fechado. Matematicamente a definição de entropia é (EQUAÇÃO 7): dS = dQ / T (7) Onde: dS = variação infinitesimal da entropia de um corpo dQ = quantidade infinitesimal de calor trocado com o corpo num processo reversível T = temperatura absoluta do corpo Exergia - É um conceito que em aproveitamento energético deveria ser mais utilizado. Exergia pode ser considerada como uma medida da utilidade ou da qualidade de energia. Tecnicamente, exergia é definida como a quantidade máxima de trabalho que pode ser produzido por um fluxo de energia ou matéria, ou de um sistema, uma vez que é posta em equilíbrio com um ambiente de referência. Ao contrário da energia, exergia é consumida durante os processos reais devido a irreversibilidades e conservadas durante os processos ideais. Conceitos de exergia e outros conceitos relacionados têm sido reconhecidos por mais de um século (EXERGY..., [201-?]). Análise de exergia é uma metodologia que usa a primeira e segunda lei, da termodinâmica para análises, projetos e melhorias de sistemas de energia e outros. O método de exergia é útil para melhorar a eficiência dos recursos energéticos em uso, por ele quantifica os locais, tipos e magnitudes de resíduos e perdas. Em geral, eficiências mais significativas são avaliadas com análise de exergia ao invés de análise de energia, porque a eficiência de exergia é sempre uma medida da aproximação ao ideal. Portanto, a análise de exergia identifica com precisão a margem disponível para projetar sistemas de energia mais eficiente, reduzindo ineficiências (EXERGY..., [201-?]). Calor sensível - É a quantidade de calor acrescida ou extraída sem que haja mudança de estado. Como exemplo podemos considerar uma a quantidade de calor acrescida a certa quantidade de água para elevar sua temperatura de 0°C líquido a 100°C líquido ou o inverso. Demonstra-se na Equação 8: Q = m x Cp x DT (8) Onde: Q = Quantidade de calor transferido (Cal) M = Massa da substância que muda de temperatura Cp = Calor específico DT =Variação de temperatura Graficamente temos na figura 6: Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 16 Figura 6 - Comparação de vapor a pressão atmosférica e a 7 bar Fonte: (HOPPE, 2010) A Equação 8 mostrada acima é bastante utilizada em avaliações de desempenho térmico e em recuperação de resíduos térmicos. Portanto cabe uma atenção especial ao Cp (calor específico ou capacidade térmica) da substância. Este depende da substância e não da quantidade da mesma e varia conforme o estado da substância conforme verifica-se abaixo (QUADRO 5). Substância Calor específico (cal/gºC) Água 1,00 Álcool 0,58 Alumínio 0,219 Chumbo 0,031 Cobre 0,093 Ferro 0,110 Gelo 0,55 Mercúrio 0,033 Prata 0,056 Vidro 0,20 Vapor d’água 0,48 Quadro 5 - Valores do calor específico de algumas substâncias Fonte: (Adaptado de HOPPE, 2010) A quantidade de calor transferida sempre de um meio mais quente para um mais frio é dada em calorias (cal) e seu valor é: Caloria (cal) é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1g de água de 14,5°C a 15,5°C, sob pressão normal. No SI, a unidade de quantidade de calor é o Joule (J) e a relação entre a caloria e o Joule é: 1cal = 4,186J. Calor latente - É a quantidade de calor necessária para fazer a transição ou mudança de estado de certa quantidade de uma substancia. O calor latente não altera a temperatura da substancia. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 17 Demonstra-se na Equação 9: Q=mxL (9) Onde: Q = Quantidade de calor transferido (Cal) m = Massa da substância que muda de estado sem mudar a temperatura L = calor latente de solidificação, fusão ou vaporização • Calor latente de solidificação - é a quantidade de calor que e necessário retirar de um corpo para fazê-lo passar do estado liquido para o sólido; • Calor latente de fusão - e a quantidade de calor que e necessário ceder a um corpo, para fazê-lo passar do estado sólido para o liquido; • Calor latente de vaporização - é o calor usado para transformar 1kg de água em vapor sem que haja mudança de temperatura. É importante observar que a quantidade de calor a ser fornecido para uma mudança de estado é muitas vezes maior que a quantidade a ser fornecida para uma mesma substancia para alterar sua temperatura. Por esta razão cabe termo acumulação a gelo, operação a vapor ao contrario de água quente pode ser mais interessante. O gráfico na Figura 7 mostra a região de azul como a fase do aumento de temperatura e as fases vermelhas como as mudanças de estado, relativamente calor sensível e calor latente. Figura 7 - Gráfico da mudança de fase e calor latente e sensível Fonte: (FINALLY!, 2011) Vapor - É a matéria fluida no estado gasoso, que pode ser liquefeito com o aumento da pressão. Portanto, a temperatura do vapor de água depende da pressão em que esta se encontra. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 18 Os estados dos fluidos térmicos são representados em gráfico como o da água mostrado abaixo. Neste, temos os limites de temperatura e pressão para os diferentes estados do fluido.(FIG.8) Figura 8 - Diagrama T x V Fonte: (SUBSTÂNCIA..., [2003]) • Vapor saturado - É o vapor que se encontra no limite entre a temperatura de condensação ou evaporação; • Titulo - é a quantidade de água liquida que se encontra no vapor. 6 INTERAÇÃO ENTRE AS ENERGIAS DESCRITAS Conforme mostramos no decorrer deste texto, a energia utilizada em uma empresa é obtida a partir da transformação de um energético em energia útil e no caso a energia térmica. Para as indústrias a maximização do potencial energético do combustível é questão de economia, mas sua economia pode aumentar se o calor, muitas vezes retirado do ambiente industrial por chaminés ou coifas for aproveitado em outro ponto do processo, mesmo que seja apenas para pré-aquecer ar de combustão. O reaproveitamento ou recuperação de resíduo térmico implica em conhecer o processo de produção o tipo de calor disponível e a tecnologia necessária para a transferência de um ponto a outro. O equacionamento necessário foi apresentado anteriormente. O tipo de calor disponível significa que podemos classificar a energia pela temperatura de fonte. Quanto maior a temperatura disponível maior a facilidade de transferir a energia para outro ponto. O Quadro 6 algumas fontes com suas temperaturas típicas de processos considerados de alta temperatura. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 19 Tipos de dispositivos ou processos Forno de refino de níquel Forno de refino de alumínio Temperatura (°C) 1370 – 1650 650 –760 Forno de refino de zinco 760 – 1100 Forno de refino de cobre 760 – 815 Forno de aquecimento de aço 925 – 1050 Forno de revestimento de cobre 900 – 1100 Abertura de soleira de forno 650 – 700 Forno de cimento (processo de secagem) 620 – 730 Forno de derretimento de vidro 1000 – 1550 Plantas de hidrogênio 650 – 1000 Incineradores de resíduos sólidos 650 – 1000 Gases de exaustão de incineradores 650 – 1450 Quadro 6 - Fontes e temperaturas típicas de processos considerados de alta temperatura Fonte: (HOPPE, 2010) O Quadro 7 algumas fontes com suas temperaturas típicas de processos considerados de média temperatura. Tipos de dispositivos ou processos Temperatura (°C) Gases chaminé de caldeiras 230 – 480 Gases de exaustão de turbina 370 – 540 Escapamento de motor recíproco (combustão) 315 – 600 Escapamento de motor recíproco (turbo comprimido) 230 – 370 Forno de tratamento térmico 425 – 650 Fornos de secagem e de cozer (assar) 230 – 600 Craqueamento catalítico 425 – 650 Resfriamento de sistemas de recozimento 425 – 650 Quadro 7 - Fontes e temperaturas típicas de processos considerados de média temperatura Fonte: (HOPPE, 2010) O Quadro 8 apresenta algumas fontes com suas temperaturas típicas de processos considerados de baixa temperatura. Tipos de dispositivos ou processos Temperatura (°C) Processo de condensação de vapor 55-88 Liquido de refrigeração de portas de fornos 32-55 Calor de mancais e rolamentos 32-88 Calor do resfriamento de máquinas de soldar 32-88 Maquinas de moldagem por injeção (injetoras) 32-88 Fornos de recozimento 66-230 Estamparias 27-88 Compressores de ar 27-50 Bombas 27-88 Motores de combustão interna 66-120 Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 20 Condensadores de ar condicionado e refrigeração 32–43 Condensadores de líquidos de destilarias 32-88 Fornos de cura, secagem e cozimento 93-230 Processos de líquidos quentes 32-232 Processos de sólidos quentes 93-232 Quadro 8 - Fontes e temperaturas típicas de processos considerados de baixa temperatura Fonte: (HOPPE, 2010) As baixas temperaturas são de difícil recuperação, no entanto, se não for ar contaminado pode ser utilizado diretamente como aquecimento do ambiente ou secagem de produtos. A transferência de calor do ponto de geração ao ponto de consumo pode ser feito por aquecimento do ar diretamente ou com a utilização de um meio de transporte, que pode ser um fluido como óleo ou água (FIG. 9). Em casos de distâncias não muito grandes, pode ser por bomba de calor. Figura 9 – Transferência de calor Fonte: (GEO THERMAL DYNAMICS, c2009) 7 ALTERNATIVAS E PRÁTICAS Algumas alternativas práticas para recuperação de calor em indústrias são: 7.1 Recuperação de gases quentes de sistemas de exaustão de gases de combustão (chaminés) Nos sistemas de geração de vapor modernos (caldeiras) os fabricantes normalmente fornecem uma unidade de recuperação de calor de exaustão. No entanto, em alguns processos, como fornos, este calor de exaustão não é aproveitado (FIG. 10). A Figura 11 mostra uma solução simples de recuperação de calor de gases de exaustão, para pré-aquecimento do ar de combustão, com isto, temos uma razoável economia de combustível. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 21 Figura 10 – Exaustão de forno sem recuperação Fonte: (Elaborado pelo autor) Figura 11 – Recuperador de calor de exaustão Fonte: (HOPPE, 2010) 7.2 Recuperação de energia em sistemas de ar comprimido Conforme já mencionado neste Dossiê, os sistemas de ar comprimido possibilitam a recuperação de mais de 70% do calor gerado. A recuperação pode ser por trocador de calor líquido-líquido, mostrado na Figura 12. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 22 Figura 12 – Sistema de recuperação de calor de ar comprimido Fonte: (ATLAS COPCO apud HOPPE, 2010) O calor de um sistema de ar comprimido também pode ser recuperado como um sistema de aquecimento de ambiente ou estufas. A Figura 13 apresenta uma instalação. Figura 13 – Recuperação do ar quente do compressor Fonte: (COMPRESSORES KAESER apud HOPPE, 2010) 7.3 Aquecimento ou pré-aquecimento por energia termo solar Os sistemas termo solar são ótimos sistemas de pré-aquecimento de água e ar. Seu dimensionamento deve ser de acordo com a necessidade de calor a ser utilizado. Como exemplo mostramos a substituição de mais de 160 chuveiros elétricos por um sistema de aquecimento de água termo solar (FIG. 14). Da mesma forma, este sistema pode ser aplicado em vestuários coletivos, cozinhas industriais, aquecimento de estufas, secadores e outros processos térmicos industriais. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 23 Figura 14 - Exemplos de substituição de chuveiros elétricos por sistemas de aquecimento solar Fonte: (Elaborado pelo autor) 7.4 Apoio e pré-aquecimento de água por energia termo solar Sistemas que tem água quente sanitária por sistemas de caldeiras podem diminuir seu consumo de combustível fazendo o pré-aquecimento por sistema solar térmico, conforme apresentado no diagrama da figura abaixo (FIG. 15). Figura 15 – Pré-aquecimento por sistema solar térmico Fonte: (Elaborado pelo autor) Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 24 7.5 Escolha do equipamento correto A escolha dos equipamentos corretos para geração do calor é de extrema importância para seu rendimento. As fontes devem ser utilizadas de forma coerente, para tanto é preciso ter conhecimento. Uma fonte irradiadora térmica é projetada para aquecer e secar superfícies, no entanto, muitas vezes é utilizada a como sistema de secagem de blocos. Conclusões e Recomendações A ineficiência e desperdício em sistemas térmicos nas indústrias são muito elevados. Além disto, a maioria das campanhas de eficiência energética é voltada para os sistemas elétricos (motores, iluminação, etc.) quando as grandes perdas acontecem nos sistemas térmicos. É corrente ver indústrias colocando calor pela chaminé e aquecendo parte do processo por resistências. Se gasta duas vezes, uma no aquecimento e outra na exaustão. Cabe salientar que, com a recém-aprovada norma ISO 50001 (Sistemas de gestão de energia), os indicadores de ganho de energia descritos neste Dossiê são itens de avaliação desta norma. A implantação da norma em uma empresa implica em ganhos de redução de custos e principalmente, em estabelecer sua política energética, dos quais o reaproveitamento do resíduo térmico é parte integrante. Neste Dossiê apresentam-se formas fáceis, mas técnicas, de recuperação de perdas térmicas. Ocupamos também, parte do mesmo Dossiê para mostrar que as perdas térmicas também são mensuráveis, tal quais as perdas elétricas. Esperamos ter deixado claro que investir na recuperação ou reaproveitamento do calor hoje desprezado, significa retorno econômico para a empresa. Para cada caloria térmica poupada, mesmo com soluções simples, tem-se certamente um ganho em redução de custos de produção. Referências CALLEN, Herbert B. Thermodynamics and an introduction to thermostatistics. 2nd ed. New York: Wiley, 1985. CENTRAIS ELETRICAS BRASILEIRAS. ELETROBRAS. FUPAI/EFFICENTIA. Eficiência energética no uso de vapor. Rio de Janeiro: ELETROBRÁs, 2005 DEBEIR, Jean-Claude; DELÉAGE, Paul; HÉMERY, Daniel. Uma história da energia. Brasília: Editora da Universidade de Brasília, 1993. ENERGIA. In: NOVO Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa. Curitiba: Positivo, 2004. ESCOLA SUPERIOR SETÚBAL. Apostila de termodinâmica 08. SETÚBAL, [201-?]. Material didático. EXERGY: analysis (energy engineering). [S.l.], [201-?]. Disponível em: <http://what-whenhow.com/energy-engineering/exergy-analysis-energy-engineering/>. Acesso em: 08 fev. 2012. FINALLY! Using salts to trap and store solar energy, leveraging the physics of latent heat. [S.l.], 2011. Disponível em: <http://www.dailykos.com/story/2011/03/27/960683/-Finally!-Using-Salts-totrap-and-store-Solar-Energy,-leveraging-the-Physics-of-Latent-Heat>. Acesso em: 07 fev. 2012. Copyright © Serviço Brasileiro de Respostas Técnicas - SBRT - http://www.respostatecnica.org.br 25 FONTES de energias renováveis e não renováveis. [S.l.], 2009. Disponível em: <http://www.portal-energia.com/fontes-de-energia/>. Acesso em: 02 set. 2011. GEO THERMAL DYNAMICS. About heat recovery. [Cooma], c2009. Disponível em: <http://www.geothermodynamics.com.au/heat_recovery.html>. Acesso em: 07 fev. 2012. HOPPE, Lothar. Fundamentos de termodinâmica. Porto Alegre: SENAI-RS, 2010. Material didático. SILVA, Adieci V; MORAES, Alessandra K.; ASSIS, Leandro E. Eficiência energética aplicada à queima de gases combustíveis. Porto Alegre: SENAI-RS, 2010. SILVA, Domiciano C.M. Condução térmica. [S.l.], c2011. Disponível em: <http://www.alunosonline.com.br/fisica/conducao-termica.html>. Acesso em: 07 fev. 2012. MARQUES, Milton Cesar Silva; HADDAD, Jamil; GUARDIA, Eduardo Crestana (coord.). Eficiência energética: teoria e prática. Itajubá, MG: FUPAI, 2007. SUBSTÂNCIA pura propriedades. [Campinas], [2003]. Apresentação em Power Point. Disponível em: <http://www.google.com.br/url?url=ftp://ftp.fem.unicamp.br/pub/PE180N/06%2520Termodin%25E 2mica%2520%2520%2520Subst%25E2ncia%2520Pura.ppt&rct=j&sa=U&ei=2GIxT8OmL4iJtwenmbSlBw&ved =0CDoQFjAD&sig2=Rk4fJOkLiDnPgUrlgRBSHQ&q=%22DIAGRAMA+TV%22+%22LINHA+DE+VAPOR+SATURADO%22+%22LINHA+DE+L%C3%8DQUIDO+SATUR ADO%22&usg=AFQjCNGYcrhtc7kn6mJVm8jd2W2WUncONQ>. Acesso em: 07 fev. 2012. 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