Com frequência, encontramos nas indústrias aplicações de agitadores e misturadores operando com baixa eficiência durante anos e gerando incalculáveis prejuízos financeiros, sem que seus operadores percebam a dimensão desse problema. Por ser uma questão de alta complexidade, a aplicação de agitadores exige, muitas vezes, um trabalho profundo de análise realizada por um especialista. Diante destas dificuldades e obstáculos, ou, movidos pelo receio ante à formulação e exigência de segredo industrial, acabam optando pela alternativa mais fácil, ora adquirindo, sem muito critério, ora fabricando seus próprios sistemas de agitação e mistura, sem se darem conta das perdas acumuladas relacionadas à eficiência da aplicação.

          Estas perdas estão relacionadas aos modelos de motores elétricos, à eficiência de redutores de velocidade, ao uso de impelidores de perfil inadequado ou operados em rotações erradas, às perdas referentes ao elevado tempo de processo ou, ainda, ao tempo perdido com paradas por quebra ou manutenção, entre outros problemas.

Enquanto muitos se preocupam em utilizar motores de alta eficiência que possibilitam economizar em torno de 1 a 3% de energia, um sistema de agitação mal dimensionado pode gerar perdas muito acima dos 80% ou, ainda, perdas indiretas incalculáveis, o que pode, em muitos casos, elevar em muito a energia consumida, reduzir a produtividade ou gerar prejuízos relacionados a falhas mecânicas que, sem dúvida, vão muito além do custo de um sistema de agitação adequadamente calculado.

          Este artigo tem como objetivo quantificar as perdas pontuais de um sistema de agitação e demonstrar, através de exemplos práticos muito facilmente encontrados na indústria em geral, quais seriam estas proporções. Primeiramente, vamos entender o nome e a posição de cada componente e então falaremos sobre as perdas individualmente envolvidas. Veja na figura 1 abaixo:

Figura_geral_eficiencia

MOTORES ELÉTRICOS E EFICIÊNCIAS ENVOLVIDAS

            É comum encontrar exigências de compra solicitando a inclusão de motores de alta eficiência. Obviamente, o uso de motores mais eficientes traz benefícios e economia e estes devem, sim, ser incluídos. No entanto, é comum verificarem-se também exigências contendo este tipo de especificação sem muitos critérios em relação ao uso de impelidores ou, ainda, potência de motores em condições de superdimensionamento, que impactam em perdas iguais ou superiores à economia gerada.

            Por exemplo, um motor de 10CV na configuração de eficiência standard ou IE2 em 100% de carga apresenta eficiência em torno de 91%; já na configuração de eficiência superior ou IE3, a eficiência atinge 92%, ou seja, 1% a mais. No entanto, se o mesmo motor de 10CV de alta eficiência ou IE3 for aplicado em condições de meia carga, em torno de 50% de sua capacidade, a eficiência é reduzida a 90,8%, ou seja, perda de 1,2% na eficiência. O correto dimensionamento de um motor elétrico em conjunto com características superiores de qualidade e últimas tecnologias proporcionam ganhos de eficiência em torno de 1 a 5% no montante geral. Veja na figura 2 abaixo as comparações:

Motor_eficiencia

          A diferença de eficiência entre motores podem parecer baixas à primeira vista, mas, quando somadas aos anos trabalhados, o valor desperdiçado pode atingir níveis consideráveis. Vamos analisar duas situações como exemplo de economia. Observe:

EXEMPLO 01: Substituição de motor 10CV 4 Polos IE1 por motor de alta eficiência 10CV 4P IE3.

            Considerando-se uma aplicação em que o motor funcione somente durante dias úteis (252 dias) e em dois turnos de 8 horas e levando-se em consideração o custo do kwh como referência, em torno de R$ 0,70:

Economia (kW) = (Pot. Motor atual (kW) / rendimento) – (Pot. Motor novo (kW) / rendimento)

Economia (kW) = (7,5 kW / 0,89) – (7,5 kW / 0,92) = 0,275 kW

Economia anual (kwh) = 0,275 kW * (252 dias operação) * (16 horas / dia)

Economia anual (kwh) =1.108,8 kwh

Economia Anual (R$) = 1.108,8 kwh x Preço do kwh (R$0,70)

Economia Anual (R$) = R$ 776,16 p/ ano

Economia após 5 anos (R$) = R$ 3.880,80

            Observe que estamos apenas analisando uma aplicação em que foi substituído um motor de eficiência IE1 para eficiência IE3, mantendo-se a potência.

EXEMPLO 02: Substituição de motor 20 CV 4 Polos IE1, trabalhando a 50% de carga, por motor de alta eficiência 10 CV 4P IE3, trabalhando a 100% de carga.

            Considerando-se uma aplicação em que o motor funcione somente durante dias úteis (252 dias) e em dois turnos de 8 horas, totalizando 16 horas por dia, com custo considerado do kwh como referência, em torno de R$ 0,70:

Economia (kw) = (Pot. Motor atual (kW) / rendimento) – (Pot. Motor novo (kW) / rendimento)

Economia (kW) = (7,5 kW / 0,86) – (7,5 kW / 0,92) = 0,568kW

Economia anual (kwh) = 0,568 kW * (252 dias operação) * (16 horas / dia)

Economia anual (kwh) = 2.290,2 kwh

Economia Anual (R$) = 2.290,2 kwh x Preço médio do kwh (R$0,70)

Economia Anual (R$) = R$ 1.603,12 p/ ano

Economia após 5 anos (R$) = R$ 8.015,16

            Observe que nesta simulação estamos comparando um motor de 20 CV 4 Polos eficiência IE1, trabalhando com 50% de carga, com um motor 10 CV 4 Polos IE3. Observe a importância não apenas do uso de motores de alta eficiência como também a importância de aplicá-los em condições de carga plena. Essa economia poderá ser ainda maior, se o motor já tiver sido rebobinado.

REDUTORES DE VELOCIDADE E EFICIÊNCIAS ENVOLVIDAS

            Os redutores de velocidade têm como função principal transmitir movimento, reduzir a rotação e amplificar o torque gerado pelo motor elétrico; ou seja, o redutor, quando aplicado no sistema de agitação, ajusta a rotação de saída àquela previamente especificada e gera a força necessária para a rotação dos impelidores. Como os motores elétricos possuem rotações específicas diretamente ligadas ao número de polos e frequência da rede elétrica, o redutor faz-se necessário para realizar este ajuste.

            Existem inúmeras marcas de redutores no mercado atual, cada uma delas com suas particularidades e vantagens, bem como produtos específicos para a aplicação em sistemas de agitação e mistura. Neste artigo, não entraremos em detalhes sobre marcas ou particularidades sobre aplicação e controle de velocidade por inversor de frequência; trataremos especificamente sobre a eficiência de cada tipo de engrenagem.

            É muito comum encontrar em fábricas mais antigas redutores do tipo rosca sem fim. Alguns destes redutores continuam sendo aplicados em agitadores devido ao baixo custo de implantação; outros são mais antigos ainda e continuam em funcionamento devido ao superdimensionamento de seus componentes. Podemos dizer que este tipo de redutor tem suas vantagens e desvantagens, dependendo da aplicação; no entanto, na agitação e mistura, suas desvantagens são muito superiores e a perda de energia elétrica não justifica mais sua utilização.

A figura 3 compara individualmente as faixas de eficiência entre diferentes tipos de engrenagens. Estes valores são apenas referenciais, podendo variar de uma marca para outra.

Eficiência_de_engrenagens

          Através da tabela é possível verificar as diferentes eficiências entre os tipos de engrenagens mais usuais em sistemas de agitação e mistura. Podemos dizer que cada uma delas tem suas vantagens em relação à redução máxima por par de engrenagens sobrecarga momentânea, consumo de lubrificante, atrito, entre outras; mas, o que queremos despertar a atenção é sobre o uso de redutores de engrenagem do tipo “rosca sem fim”. Para isso, utilizaremos a simulação abaixo, a fim de demonstrar as perdas envolvidas:

EXEMPLO 01: Sistema de agitação de 10 CV c/ redutor rosca sem fim e outro com engrenagem helicoidal:

            Considerando-se uma aplicação em que o motor funcione somente durante dias úteis (252 dias) e em dois turnos de 8 horas, levando-se em consideração o custo do kwh como referência, em torno de R$ 0,70, desprezando-se a eficiência envolvida no motor elétrico e tendo a rotação de saída em torno de 40rpm:

Consumo rosca sem fim (kW) = (Pot. Redutor rosca sem fim (kW) / rendimento)

Consumo rosca sem fim (kW) = 9,868kW

Consumo eng. helicoidal (kW) = (Pot. Redutor de eng. Helicoidal (kW) / rendimento)

Consumo eng. helicoidal(kW) =  7,8125 kW

Diferença entre redutores (kW) = 9,868 – 7,8125 kW = 2,05 kW

Economia anual kwh = 2,056 kW * (252 dias operação) * (16 horas / dia)

Economia anual kwh =8.287,8 kwh

Economia Anual =8.287,8 kwh x Preço do kwh (R$0,70)

Economia Anual =R$ 5.801,44 p/ ano

Economia após 5 anos = R$ 29.007,21

            Observe que os valores são realmente muito expressivos na economia final. Ou seja, é aconselhável evitar, ao máximo, o uso de sistemas de agitação com acionamento por redutor do tipo “rosca sem fim”. Os valores demonstrados nesta análise foram tomados como referência de catálogos de fabricantes nacionais, podendo variar de fabricante para fabricante.

 

EFICIÊNCIAS ENVOLVIDAS NA SELEÇÃO DO TIPO DE IMPELIDOR

          Com o desenvolvimento de novos estudos no campo da agitação e mistura, juntamente com o uso da simulação computacional fluidodinâmica, inúmeros tipos e perfis de impelidores industriais foram desenvolvidos nos últimos anos. Uma infinidade de geometrias complexas destinadas a aplicações específicas pode ser encontrada atualmente, elevando em muito a eficiência de agitação e mistura; no entanto, o objetivo deste artigo não é adentrar nas características específicas de impelidores industriais de alta tecnologia bem como em suas aplicações e vantagens; isto deixaria o trabalho muito longo; por isso, será tratado em outro artigo. O objetivo principal, neste momento, é alertar os usuários de sistemas de agitação sobre a quão dispendiosa poderá ser a utilização de perfis inadequados como cantoneiras, barras chatas e vigas, ou ainda uso de impelidores comerciais aplicados em condições não ideais.

          Em alguns estudos recentes é possível detectar que as perdas relacionadas à energia consumida e ao tempo de processo podem facilmente ultrapassar os 60% de desperdício; ou seja, se calculados estes prejuízos, as cifras facilmente ultrapassariam em poucos meses o custo de investimento em um sistema de agitação que foi submetido a um estudo profundo e personalizado.

           A comparação da figura 4 foi extraída de um estudo de consultoria realizado pela Mixtecpro, com o objetivo principal de obter redução da energia consumida, sem influências no tempo de processo. Para este estudo foram realizados previamente ensaios em tanque de testes-piloto e utilizadas técnicas de scale-up. Abaixo são demonstrados os resultados e economias conquistadas com o novo sistema de agitação.

Comparacao_Impelidores

          O processo de agitação demonstrado acima era utilizado para solubilizar grande quantidade de material sólido e partículas de alta densidade e diâmetro médio. Na primeira condição era exigida alta rotação dos impelidores do tipo “hydrofoil” para realizar a suspensão deste material, o que, em consequência, aumentava muito a potência consumida, em torno de 75 CV. Quando substituído pelo impelidor corrigido do tipo “Wide Blade”, foi possível trabalhar em rotações mais baixas, mantendo-se o fluxo gerado e o nível de agitação, consumindo menos potência, algo em torno de 30 CV. Obviamente, como resultado, houve aumento no torque de operação e exigiu investimentos em uma nova configuração mais resistente de eixos e redutor de velocidade, e este custo financeiro foi rapidamente absorvido pela economia na conta de energia elétrica.

          O objetivo principal deste tópico foi mostrar a importância da escolha e aplicação de geometrias adequadas no processo de agitação e mistura, que pode, sem dúvida nenhuma, gerar muita economia. Para mais informações sobre este trabalho, leia na sessão de trabalhos e resultados encontrada no site da Mixtecpro.

EFICIÊNCIAS ENVOLVIDAS NO TEMPO DE PROCESSO

            O tempo de processo é, sem dúvida, um dos fatores que mais interferem na eficiência global de um sistema de agitação e mistura e é fator fundamental no custo de produção. Elevado tempo de processo acarretará menor produção, mais turnos produtivos, maior uso de energia elétrica, até mesmo problemas relacionados à qualidade do produto final.

            A análise de melhoria no tempo de processo é, sem dúvida, a mais complexa de ser feita, devido aos inúmeros fatores e condições existentes em uma aplicação. É necessário um amplo estudo de caracterização de processo e identificação de melhores condições. O fator tempo está relacionado diretamente a duas condições que podemos resumir como sendo características físico-químicas e condições mecânicas proporcionadas pelos equipamentos. Abaixo vamos citar alguns problemas:

Fatores mecânicos que influenciam no tempo de processo:

  • Falta de quebra-ondas;
  • Agitação insuficiente por erro de dimensionamento do sistema;
  • Uso de sistema inadequado (dispersor, emulsificador, agitador.)
  • Uso de impelidores com perfil inadequado;
  • Baixo nível de cisalhamento de partículas;
  • Ponto de alimentação dos reagentes;
  • Geometria do reator / vaso.

 

Fatores físico-químicos que influenciam no tempo de processo:

  • Cinética das reações;
  • Temperatura da reação;
  • Balanço de massa;
  • Qualidade das matérias-primas, alta concentração de impurezas;
  • Pressão;
  • Superfície de contato do reagente sólido.

          Na comparação apresentada a seguir vamos demonstrar os resultados obtidos por outro estudo realizado pela Mixtecpro, desta vez relacionados à redução de tempo de processo e ganho de produção com consequente redução de energia. Gostaríamos de chamar atenção para este erro comum: o uso de dispersores para dissolução de materiais com tendência a formação de grumos. A aplicação de dispersores para este fim é um erro muito comum na indústria e pode gerar enormes prejuízos. Veja na comparação feita na figura 5 abaixo:

Comparação_processos

          O sistema existente (antigo) foi construído originalmente pelo fabricante do tanque e baseado em premissas informadas pelo usuário final. O erro ocorreu porque acreditavam que a alta rotação e o perfil de corte de impelidores do tipo Cowles, específicos para dispersão, seriam ideais para este processo, movimentariam todo o volume de fluido e, devido ao alto cisalhamento proporcionado por este impelidor, este quebraria os grumos formados durante a alimentação de sólidos. Na realidade, o processo se tornou uma grande dor de cabeça: além do elevado tempo de processo, próximo a 10 horas, gerou incontáveis prejuízos com longo tempo, dentre várias paradas por quebra de eixo e acionamento.

            Para a solução intermediária foi construído um sistema de agitação que contivesse impelidores que possuíssem certo nível de cisalhamento e que proporcionassem melhor bombeamento e homogeneização. Devido a limitações de processo, estruturas e sanitáriedade, não era possível o uso de quebra-ondas; este era um dos fatores limitantes na eficiência e no tempo de dissolução; ainda assim, foi possível reduzir o tempo de processo para duas horas e meia e o consumo de energia em torno de 87%, bem como sanar as quebras e paradas por falha mecânica.

            Após nova análise, verificou-se a viabilidade do uso do sistema de dissolução de sólidos do tipo “TRIBLENDER” ou uso de bomba de alto cisalhamento com alimentação de pó por funil e Venturi, sendo possível reduzir o tempo de processo para em torno de 1 hora, o que justificou também o consumo de energia adicional, ocorrendo a redução total de 90%.