Conceitos de recuperação térmica da AERZEN
A sustentabilidade e a eficiência são indispensáveis na indústria. Hoje em dia, figuram indubitavelmente entre os desafios mais importantes que os fabricantes e entidades exploradoras de sistemas enfrentam. Contudo, pela sua própria natureza, a produção de ar de processo requer uma quantidade relativamente elevada de energia. Uma grande quantidade de energia térmica, conhecida como calor de processo, é libertada no processo. Surge não só no fluxo de ar gerado, mas também sob a canópia devido à perda de calor do motor, silenciador e compressor. No passado, não era utilizado com frequência.
Como fabricante de compressores de alto rendimento, a AERZEN há muito que desenvolve soluções inovadoras para a utilização prática desta energia térmica. Como resultado, a empresa oferece às entidades exploradoras de instalações tecnologia de ponta de ar comprimido e sistemas de recuperação térmica, de uma única fonte e com as dimensões adequadas
As potenciais poupanças que podem resultar da instalação de um sistema de recuperação térmica são imensas: até 85% da energia térmica pode ser facilmente utilizada para outras operações, como o aquecimento de água, processos de secagem ou pré-aquecimento do ar do queimador. São evitadas perdas de energia, tais como as causadas pela ventilação do ar aquecido no exterior. A recuperação térmica significa, portanto, uma conservação de energia orientada e que poupa recursos.
Os custos de investimento para um sistema de recuperação térmica são relativamente baixos e são rapidamente compensados pela poupança de energia. Também as instalações mais antigas podem ser convertidas e otimizadas sem gastar muito tempo e dinheiro. A AERZEN tem o prazer de o ajudar a implementar soluções individuais. A recuperação térmica pode ser implementada para uma vasta gama de processos e utilizações:
- Fornecimento de sistemas de aquecimento central
- Aquecimento com ar quente
- Secagem de lamas
- Ar quente para tarefas de processamento (por exemplo, processos de secagem na produção)
- Produção de água quente para chuveiros e casas de banho
- Aquecimento de água de serviço para cafetarias
- Construção de barreiras térmicas
- Aquecimento de piscinas.
O objetivo de cada projetista de estações é reduzir os custos, fazendo o uso mais eficiente possível da energia introduzida num processo. Na área da produção de ar comprimido, a recuperação térmica é uma forma simples de responder a este desafio. Para entender por que um compressor em funcionamento gera energia térmica e como essa energia pode ser utilizada, é útil olhar para o princípio de funcionamento de um compressor de ar:
Princípio de funcionamento dos compressores: Fontes de calor e opções para a recuperação térmica
A grande quantidade de calor residual produzido quando é gerado ar comprimido não diz nada sobre a eficiência da máquina. Trata-se de um subproduto que surge necessariamente quando se gera ar de processo. Durante muito tempo, as entidades exploradores das estações não tiveram consciência do enorme potencial energético que estas oferecem. Em regra, o calor é gerado de duas formas diferentes: por um lado, a partir da compressão do meio pelo conjunto e, por outro lado, pelo calor residual (ar de arrefecimento) do motor, do bloco e do silenciador e do ar de exaustão do refrigerador de óleo.
Compressão
Máquinas como os compressores de parafuso e os sobrepressores de êmbolo rotativo comprimem o ar ambiente aspirado através de parafusos ou pistões rotativos. Esta forma de compressão do ar é um processo termodinâmico que aquece o meio aspirado, por exemplo, ar ou gás. De um ponto de vista físico, o processo converte energia elétrica em energia térmica. Quando são utilizados compressores, o gás de processo pode atingir temperaturas até 280 °C.
A abordagem lógica para recuperar calor do ar de processo é utilizar permutadores de calor; quando os permutadores de calor estão integrados no fluxo de ar, um meio como a água pode fluir através deles e ser aquecido a uma temperatura predefinida, removendo simultaneamente o calor do fluxo de ar. A água aquecida pode ser reutilizada como água de processo ou de serviço, ou introduzida no sistema de aquecimento central. A AERZEN oferece permutadores de calor concebidos especificamente para este fim, que convertem a quantidade máxima de calor transferível com uma perda de pressão mínima.
Ar de arrefecimento (radiação térmica)
A energia térmica adicional é criada sob a canópia do conjunto pela radiação do motor, refrigerador de óleo, bloco do compressor, bloco do pistão rotativo, tubagem e silenciador. Este ar de refrigeração fortemente aquecido também pode ser aproveitado de uma forma prática. O calor pode ser consolidado nas condutas de ar de exaustão integradas no conjunto e transportado como ar de aquecimento para salas ou oficinas adjacentes. Uma saída com temperatura controlada pode regular o fluxo de ar, de modo a obter uma temperatura ambiente uniforme. Se não for necessário aquecimento no verão, por exemplo, o calor em excesso pode ser conduzido para o exterior.
Heat recovery in wastewater treatment
Wastewater treatment is a core sector of Aerzener Maschinenfabrik. The family-owned company is a global player in this area and is continuously developing resource-saving and environmentally friendly all-in-one solutions for customers all around the world. This includes not only the selection of ‘custom-fit’, optimal machine technology, but also concepts for recovering heat. In wastewater treatment plants, the assemblies are normally used to aerate the aeration tanks. In the process, an airflow with a pressure of approx. 1 bar is generated by AERZEN positive displacement blowers, turbo blowers and compressors working jointly or as individual assemblies. The airflow is pumped into the aeration tanks (the ‘biology’ of the plant). The oxygen contained in the air plays a decisive role in an important step in the process: biological sewage treatment.
Em termos dos custos totais de energia de uma estação de tratamento de águas residuais, a geração de fluxos de ar é naturalmente a que representa a maior percentagem. O potencial de poupança nesta área é especialmente elevado. As possibilidades são vastas: basta um compressor com uma potência nominal de 22 kW para satisfazer as necessidades de aquecimento de uma casa unifamiliar.
As muitas histórias de sucesso da Aerzener Maschinenfabrik mostram como o balanço energético de uma estação de tratamento de águas residuais pode ser significativamente melhorado através da implementação de soluções de recuperação térmica e da escolha da melhor tecnologia de máquinas para cada aplicação. Pode encontrar vários exemplos aqui:
Accordion
Outro exemplo de recuperação térmica altamente eficiente implementado em cooperação com a AERZEN pode ser encontrado na estação de tratamento de águas residuais de Essen-Kupferdreh. A estação utiliza quatro sobrepressores de êmbolo rotativo para fornecer ar aos tanques de aeração. Graças à instalação de um permutador de calor de feixe de tubos, a instalação faz agora uma utilização prática e eficiente do calor residual dos sobrepressor. A energia convertida do componente fornece agora energia térmica ao sistema de aquecimento e ao depósito-tampão para água quente. As poupanças resultantes são colossais: só a recuperação térmica permite à estação de Essen-Kupferdreh poupar mais de 30 000 euros por ano.
Na estação de tratamento de águas residuais de Wertach, na Baviera, foi possível prescindir da instalação de um novo queimador para aquecimento de água de caldeira, graças à utilização de um permutador de calor. Em Wertach, são utilizados dois sobrepressores Delta com velocidades fixas para a carga de trabalho básica. Quando os requisitos são mais elevados, por exemplo, durante a época em que se verifica um grande número de caminhantes e esquiadores, é ativado um terceiro sobrepressor de velocidade variável.
O ar quente de 68 °C gerado pelo processo de compressão é arrefecido para menos de 30 °C por um permutador de calor de placas ar-água. O delta resultante de quase 40ºC pode assim ser utilizado para armazenar a água da caldeira do sistema de aquecimento. O permutador de calor integrado no sistema está equipado com perfis de fluxo otimizado e quase não provoca perda de pressão no fluxo de ar de processo.
Se não for necessário aquecimento (por exemplo, no verão), este é facilmente desligado. Uma válvula mecânica na tubagem permite que parte ou a totalidade do ar seja encaminhado diretamente para os tanques de aeração em vez de através do permutador de calor, tornando assim possível o controlo em função da necessidade e a recuperação térmica em qualquer momento. Em Wertach, a recuperação térmica permitiu poupar cerca de 1850 litros de fuelóleo por ano. Pode encontrar mais informações sobre o assunto no artigo intitulado "Aquecimento eficiente com descarga térmica" na nossa revista de clientes.
Para cumprir os rigorosos requisitos ambientais na estação de tratamento de águas residuais de Filderstadt-Bonlanden, construída nos anos 60 no estado alemão de Baden-Württemberg, quatro compressores de êmbolo rotativo Delta Hybrid foram equipados com um sistema de recuperação térmica no âmbito de um projeto de modernização e renovação em cooperação com a AERZEN.
A combinação de conjuntos fornece ar comprimido 100% isento de óleo e absorvente para a aeração dos tanques de aeração de uma forma altamente eficiente. O funcionamento sem óleo e sem absorventes significa não só economias em serviço e manutenção, mas também uma maior fiabilidade do processo para a estação. Uma vez concluídas as medidas de modernização, o sistema começou a fazer circular o ar ambiente aquecido pela máquina através de um sistema de extração e a utilizá-lo para aquecer outras salas de máquinas.
Mas a maior economia foi conseguida com a instalação de um permutador de calor de feixe de tubos na conduta principal do sistema. No permutador de calor, o calor é removido do fluxo de ar do processo e utilizado para aquecer água. Em consequência, os custos do aquecimento de água puderam ser totalmente eliminados. Saiba mais sobre a recuperação térmica em Filderstadt-Bonlanden através da nossa revista de clientes num artigo intitulado "Every kilowatt put to optimal use" (Cada quilowatt aproveitado ao máximo)
Heat recovery in pneumatic conveying
Pneumatic conveying involves the transport of bulk goods such as flour, powder, sand or cement with the help of air. It is used in many industries, such as food processing, bulk goods, chemicals and materials. To create the required airflow, AERZEN compressors, blowers and rotary lobe compressors are often used. Very high outlet air temperatures can be achieved in the process.
The ambient air, which usually has a temperature of approx. 20°C, is sucked in and can reach temperatures of up to 280°C due to the compression process, for example, in an application involving screw compressors. To prevent the transported bulk goods from being damaged by the high temperatures, the process air often has to be cooled back down. The heat can be removed from the compressed air with the help of a heat exchanger and used for heating, water heating or process heat. Depending on the design, the pressure loss caused by the installation of a heat exchanger is 1-3% in relation to the absolute intake pressure in the aftercooler. The resulting increase in the drive output of the motor is nominal compared to the amount of energy saved by the heat exchanger.
Quando compensa recuperar o calor?
Vários fatores devem ser considerados antes de se tomar a decisão de adquirir uma solução de recuperação térmica.
Para começar, é necessário verificar as condições estruturais. É importante que a fonte de calor residual e o dissipador de calor sejam posicionados próximos um do outro. Se estiverem demasiado afastados, os planos devem ter em conta as perdas de energia devido ao transporte e os custos mais elevados da canalização. Se for necessário um grande esforço para transportar ou armazenar o calor, há que ter em conta custos de investimento mais elevados. Além disso, deve existir um Δ T de pelo menos 5-10 k entre a fonte de calor residual da estação e o dissipador de calor, para que uma instalação de recuperação térmica seja rentável.
Em geral, pode dizer-se que a recuperação térmica é especialmente benéfica quando utilizada com grandes montagens e processos de produção em contínuo funcionamento. Mas um sistema de recuperação térmica também pode compensar nos casos em que o calor residual é menor, mas a carga de trabalho é maior. Em princípio, a recuperação térmica é tanto mais rentável quanto mais continuamente os conjuntos se mantiverem em funcionamento.
Resumo
A grande quantidade de energia necessária para gerar ar comprimido pode ser recuperada e utilizada de várias formas. As tecnologias e competências da AERZEN permitem conceber novos projetos nas áreas do tratamento de águas residuais e do transporte pneumático para aproveitar a energia térmica para aquecimento de divisões, pavilhões ou água (água de processo ou de serviço) ou para etapas do processo de produção. São possíveis muitas aplicações diferentes.
As estações existentes também podem ser modernizadas utilizando meios simples que aumentem a sua eficiência. Neste domínio, a AERZEN oferece aos seus clientes uma vasta carteira de serviços, por exemplo, um serviço de informação telefónica 24 horas por dia, um diagnóstico de máquinas e o AERaudit, em que os funcionários do serviço desenvolvem um plano de modernização de uma estação.
E com a ajuda do calculador de ventilação da sala da AERZEN, engenheiros e proprietários de estações de tratamento de águas residuais podem encontrar um permutador de calor devidamente concebido para as suas próprias instalações.
