Bombas: 85% do custo total de operação é energia
O mundo industrial usa bombas em todos os lugares, e estima-se que 10% da energia global seja consumida por bombas de vários tipos, por isso é um ótimo lugar para se concentrar no desafio central de economizar energia.
As bombas centrífugas (usando um rotor ou impulsor) são muito comuns e relativamente baratas, portanto, são amplamente aplicadas na indústria de alimentos e bebidas, especialmente para fluxos de baixa viscosidade: recepção de leite, pasteurização, tratamento asséptico/UHT, suco, CIP e filtração. Mas você pode se surpreender ao saber que até 85% do custo total de propriedade (TCO) de uma bomba centrífuga está relacionado ao consumo de energia. Podemos mostrar como transformar isso em vantagem.
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Melhorando o desempenho, a vida útil do equipamento e a sustentabilidade
Economia significativa de energia com o uso de uma VFD
Muitas linhas de alimentos e bebidas exigem que as bombas sejam operadas em diferentes vazões para corresponder aos parâmetros de processamento e receitas ou ingredientes específicos. Se você tiver um sistema de estrangulamento, basta restringir o fluxo fechando uma válvula.
Mas isso tem duas consequências negativas. A primeira é que isso aumenta a contrapressão na bomba, o que também gera calor e potencialmente causa degradação do produto ou desgaste nas peças da bomba, como vedações mecânicas. A segunda é que esse sistema opera de forma ineficiente e pode até causar danos à bomba.
A boa notícia é que existe uma maneira de obter uma grande economia de energia: basta combinar a bomba com uma unidade de frequência variável (VFD), também conhecida como inversor de frequência. Ao variar a frequência elétrica de entrada, a velocidade da bomba também é alterada. Essa solução permite utilizar uma única bomba de forma eficiente para lidar com líquidos de diferentes viscosidades, alturas manométricas e vazões.
Compare esses dois métodos de controle de processo na tabela. Supondo um fluxo de 70 m3/h na capacidade máxima da bomba e consumindo 26 kW de potência, os dois sistemas são idênticos. Mas se você quisesse reduzir o fluxo para 60% da capacidade, o sistema de estrangulamento ainda consumiria 21 kW de energia; o sistema VFD consumiria apenas 9 kW! A VFD é um pequeno investimento que economiza muito dinheiro.
| Fluxo (m3/h) | % Fluxo | Sistemas de estrangulamento | Sistemas VFD |
|---|---|---|---|
| 70 | 100% | 26 kW | 26 kW |
| 56 | 80% | 23 kW | 16 kW |
| 42 | 60% | 21 kW | 9 kW |
| 35 | 50% | 20 kW | 6 kW |
Uma VFD mantém a bomba operando na faixa ideal, melhorando o desempenho, prolongando a vida útil do equipamento e aumentando a sustentabilidade.
Escolher a bomba certa desde o início significa selecionar uma que ofereça a faixa de desempenho que se adapte às suas aplicações, e isso é um bom começo. Mas a maioria das bombas terá que variar em seu desempenho, dependendo das demandas de uma determinada aplicação, mudanças de produto, qualidade da matéria-prima ou ingredientes especiais. Cada bomba tem um perfil de desempenho que pode ser plotado em relação a uma curva de confiabilidade, como na figura abaixo.
A bomba operará dentro dessa faixa de confiabilidade, mas, quanto mais distante estiver do BEP, menor será sua confiabilidade e mais frequentes serão as falhas (consulte o MTBF no eixo direito). Isso ilustra outra diferença. Se você reduzir o fluxo por estrangulamento, não apenas perderá energia ao não alcançar o melhor ponto de eficiência; a bomba pode apresentar vibração e contrapressão mais alta, com consequente desgaste nos impulsores, rolamentos e vedações. Qualquer energia economizada é transformada em calor, com possível degradação do produto alimentício.
Um sistema VFD simplesmente reduz a frequência da bomba e, portanto, sua velocidade, sem risco de possível impacto de corte e temperatura em produtos sensíveis. Isso se traduz em menores custos de manutenção, maior confiabilidade e durabilidade, além de melhor sustentabilidade, com menos perdas de produto e menores emissões. Além disso, como mostra o gráfico, o uso de uma VFD para regular a vazão mantém a bomba operando na faixa ideal, onde a eficiência é maior, reduzindo os custos de energia.
Curva de confiabilidade da bomba, BEP = BOP
Neste gráfico, a bomba possui um ponto de melhor eficiência (BEP), e a prática recomendada é mantê-la operando entre -10% e +5% desse ponto. Sensibilidade à curva da bomba para confiabilidade da bomba.
A matemática é mais fácil do que você pensa
Como a maioria das bombas centrífugas é acionada por um motor elétrico, a velocidade da bomba é, na maioria das vezes, a velocidade do motor, e a velocidade e o diâmetro do impulsor determinam a pressão do cabeçote ou da bomba. Mas alterar a velocidade altera os requisitos de altura, fluxo e potência da bomba de acordo com as seguintes leis de afinidade:
- O fluxo (volume/hora) varia proporcionalmente à mudança na velocidade. Duas vezes a velocidade é o dobro do fluxo. Um terço da velocidade dá um terço do fluxo.
- A altura manométrica da bomba (pressão) varia de acordo com o quadrado da mudança na velocidade. Dobrar a velocidade gera quatro vezes (2²) a altura manométrica. Operar a 80% da velocidade resulta em 64% (0,80²) da altura manométrica obtida na velocidade máxima.
- O requisito de energia (kW) varia de acordo com o cubo da mudança de velocidade. Dobrar a velocidade exige oito vezes (2³) mais potência. Operar à metade da velocidade requer apenas um oitavo (0,50³) da potência necessária para acionar a bomba.
“A matemática é fácil: se você não está constantemente operando sua bomba a 100%, você pode realmente se beneficiar de uma VFD, porque a quantidade de energia que você pode economizar controlando o fluxo dessa forma é incrível. Se estiver estrangulando o fluxo das suas bombas, você começa a se afastar imediatamente desse ponto de melhor eficiência. Então você começa a ver vibrações adicionais e contrapressão, e a vida útil da vedação mecânica pode ser reduzida, levando a falhas caras e aumento do tempo de inatividade.”
- Angelo Mennecillo, gerente de produtos da Plant Components na Tetra Pak®
