FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI ROBERTO MANGE CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA
MELHORIA E INOVAÇÃO EM UMA CALDEIRA
Eduardo Henrique Moreira
Fabricio Divino Goncalves dos Santos
Israell Yago Silva Vitoria
Leosim de Oliveira Junior
Pablo Warley de Souza Lima
ANÁPOLIS – GO, 2012
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EDUARDO HENRIQUE MOREIRA FABRICIO DIVINO GONCALVES DOS SANTOS
ISRAELL YAGO SILVA VITORIA LEOSIM DE OLIVEIRA JUNIOR
PABLO WARLEY DE SOUZA LIMA
MELHORIA E INOVAÇÃO EM UMA CALDEIRA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a
Faculdade SENAI Roberto Mange, para obtenção de
Habilitação de Técnico em Eletrotécnica.
Área de Concentração: Industria.
Orientador: Professor Cleuton Alves Martins
ANÁPOLIS – GO, 2012
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EDUARDO HENRIQUE MOREIRA FABRÍCIO DIVINO GONÇALVES DOS SANTOS
ISRAELL YAGO SILVA VITORIA LEOSIM DE OLIVEIRA JUNIOR
PABLO WARLEY DE SOUZA LIMA
MELHORIA E INOVAÇÃO EM UMA CALDEIRA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a
Faculdade SENAI Roberto Mange, para obtenção de
Habilitação de Técnico em Eletrotécnica.
Área de Concentração: Indústria.
Aprovado em _____/______/______
Banca examinadora
______________________________________ Professor Vandoir Holtz
Faculdade SENAI Roberto Mange
______________________________________ Professor Cleuton Alves Martins
Faculdade SENAI Roberto Mange
______________________________________ Kléber da Silveira Moreira
Faculdade SENAI Roberto Mange
Anápolis – GO, 2012
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Dedicamos este trabalho as pessoas que lutam diariamente
aos nossos lados transmitindo confiança, amor, paciência,
tornando os nossos dias mais belos e nos inspirando dia após
dia a conseguir nossos objetivos. As nossas famílias e
amigos.
“O amor é o único nexo permanente válido nas relações
familiares. Amar e ser amado é um desejo de todos. E
também um direito que a sociedade deveria proteger e
estimular.” (Knobel, 1992).
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AGRADECIMENTOS Ao todo criador, Deus, que está acima de todos e reina sobre todos. Que nos fornecera
a maior dádiva da vida, que é poder com saúde, nos conceber nossos desejos e vontades.
A nossos pais, que sempre nos inspiraram confiança, sabedoria e amor. Mesmo que de
longe, sempre esteve perto, dentro de cada um de nós.
A nossas amigas e esposas / namoradas, por toda a caminhada que fizemos juntos, e
por todas as outras que ainda virão. Pela paciência e compreensão, por nos aturar, ajudar e
pelos vários dias que sacrificaram tempo para poder-mos, juntos estudar-mos e diverti-mos.
A todos os nossos amigos e companheiros de classe. Que com certeza estarão sempre
na memória de cada um de nós. Pelo conhecimento transmitido, pelo conhecimento adquirido
e também por todas as brincadeiras, discussões e até mesmo por todos os momentos de
descontrações. Todos eles contribuíram para que hoje pudesse-mos estar aqui.
A todos os professores que transmitiram conhecimento, informações, tiveram
paciência e também muita sabedoria. Se chegaram aonde chegaram é porque com certeza, já
batalharão muito por isso.
A instituição que sempre ofereceu apoio e toda a estrutura necessária para chegarmos
ao fim de mais uma jornada.
“Pedimos força a Deus, e Ele nos deu dificuldades para nos fazer forte. Pedimos
sabedoria e Ele nos deu problemas, para resolver-mos. Pedimos favores a Deus e Ele nos deu
Oportunidades. Não recebemos nada do que pedimos, mais Tudo o que precisava-mos!”
(Autor desconhecido)
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS............................................................................................................... 7
RESUMO.................................................................................................................................. 8
1. INTRODUÇÃO..............................................................................................................9
2. OBJETIVOS................................................................................................................. 10
3. META............................................................................................................................11
4. DESENVOLVIMENTO...............................................................................................12
4.1 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA............................................................................12
4.2 DESENVOLVIMENTO PRÁTICO......................................................................12
4.3 INSTALAÇÃO DO INVERSOR..........................................................................13
4.4 CUSTO TOTAL DA INSTALAÇÃO DO SISTEMA.......................................14
5. DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES UTILIZADOS NO SISTEMA.......................14
5.1 SOFT START........................................................................................................14
5.2 INVERSOR DE FREQUÊNCIA...........................................................................15
5.3 TRANSDUTOR DE PRESSÃO............................................................................16
5.4 CALDEIRA...........................................................................................................17
6. CONCLUSÃO..............................................................................................................18
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................19
LISTA DE FIGURAS
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Figura 01 – Painel elétrico do sistema executado no trabalho.
Figura 02 – Exemplo de Soft Start
Figura 03 – Exemplo de Inversores de Frequência
Figura 04 – Exemplo de Caldeiras.
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RESUMO
Este trabalho visa substituir uma soft starter por um inversor de freqüência, para
estabilizar o sistema de pressão de vapor, que pela condição atual tem apenas uma partida
suave e um controle digital ligado ou desligado, com histerese (diferencial de pressão) com
variação um kg para acima ou um kg abaixo do set-point realizando assim varias partidas por
dia onde terá sempre o consumo elevado de partida e o consumo constante por esta ligada no
regime de sessenta Hz. Com implantação do inversor será feito monitoramento através de
sensor (transdutor de pressão) que envia um sinal analógico de quatro a vinte mili amperes
para o inversor que através do controle PID fará o controle de rotação do motor convertendo o
sinal de pressão em freqüência através do inversor, aumentando e reduzindo a exaustão
automaticamente variando a entrada de oxigênio e controlando a combustão dentro da
caldeira, reduzindo assim o consumo de combustível sólido (lenha), e controlando
temperatura e pressão, tornando mais estável e econômico, tanto pelo controle de queima da
madeira quanto pelo controle de potencia do motor.
Palavras-chave: Economia, Inovação e Rendimento.
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1. INTRODUÇÃO
A melhoria à ser implantada no processo produtivo da geração de vapores para
esterilização, limpeza e também para higiene pessoal, tal processo sofre alterações devido à
não existir de nenhum controle especifico para assegurar uma eficiência e padronização tanto
na pressão do processo, quanto na temperatura do vapor ou ate mesmo no controle da queima
do combustível, a proposta apresentada neste trabalho, visa implantar um controle especifico
de algumas variáveis deste processo produtivo através dos recursos de um inversor de
freqüência para controle da velocidade do motor da turbina da caldeira e com essa
implantação obtermos uma certa economia tanto no consumo de energia quanto no consumo
combustível( lenha), que e essencial para alimentar a linha de produção do frigorífico.
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2. OBJETIVO GERAL
Implantar um sistema de automático em uma caldeira para melhorar a qualidade de
pressão, redução de energia elétrica e consumo de lenha através de um sistema de
controle de pressão do vapor utilizando um inversor de freqüência para controlar a
freqüência através da variação de pressão que será transmitida por um transdutor de
pressão que enviara um sinal analógico de 4 a 20 mA para o inversor que irá modular de
acordo com a pressão do sistema buscando estabilizar a pressão de vapor da linha de
produção, controlando a rotação de um motor do sistema de exaustão de acordo com
variação da exaustão varia a entrada de ar que alimenta a queima da madeira
automaticamente variando o consumo de lenha controlando assim a pressão no processo
de geração de pressão que alimenta uma linha de produção num frigorífico, dando maior
eficiência no processo produtivo.
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3. META
Redução no consumo de energia elétrica;
Redução do consumo de material combustível (lenha);
Maior controle do fluxo de emissão de vapor na fonte de geração e consequentemente
melhor qualidade na agua quente utilizada na esterilização de ferramentas e
equipamentos e na qualidade do vapor nas tomadas de vapor;
Redução na emissão de poluentes na atmosfera reduzindo custos em manutenção de
filtros de ar.
Baseado numa queda de consumo pretendemos ter uma redução nos gastos mensais de
7 %.
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4. DESENVOLVIMENTO
4.1 Descrição do problema
Este trabalho se baseia num problema detectado no processo de geração de vapor da
caldeira de um frigorífico onde foram detectadas oscilações de pressão e deficiência na
queima de combustível gerado por ausência de controle eficiente do fluxo de oxigênio
inserido na fornalha através de turbina centrifuga que por sua vez trabalha com limites
mínimos e máximos de pressão. Devido esta deficiência houve à idéia de se melhorar o
funcionamento do processo de controle de fluxo de oxigênio inserido na fornalha,
substituindo o antigo sistema oscilante e ineficaz por falta de um controle que busque
estabilizar o sistema, para um que evite inúmeras partidas durante execução de atividades de
queima de combustível.
Devido o fato de se fazer uso de pressostato para controle da linha de alimentação do
sistema de controle de fluxo de oxigênio, que trabalha com mínimo de 7 bar e o máxima de
9 bar, com o novo sistema pretende-se estabilizar o processo controlando a queima de
combustível através da modulação da rotação do motor, substituindo o sistema atual que
utiliza partida suave soft starter por um inversor de freqüência e transdutor de pressão. Esta
medida permitira controlar o sistema conciliando os recursos do inversor e do transdutor,
através do sistema PID que por sua vez concilia as entradas digitais do inversor com as
informações enviadas do transdutor que transforma a pressão de 0 a 9 bar em sinal analógico
de 4 a 20 mA traduzidos em comandos que por sua vez modula velocidade do motor da
turbina através da conversão de freqüência gerada pelo inversor.
4.2 Desenvolvimento prático
Iniciaremos o trabalho pratico de melhoria com as adequações estruturais para
possibilitar a instalação do transdutor de pressão onde foi necessário acrescentar um “T” de
¾”, para adequação do sistema antigo utilizando o pressostato existente como forma de
segurança contra uma eventual falha do sistema analógico, onde, o pressostato atuará com 9,5
KGF/cm² desligando totalmente o sistema auxiliando na detecção de eventuais problemas e
agilizando a manutenção, também acrescentaremos uma redução de ¾”-1/2” (três quartos para
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meia polegada) e em seguida um tubo de cobre em forma de espiral para amortecer a pressão
e fixar o transdutor que realizara a coleta dos dados referentes as condições atmosféricas
pressurizadas da caldeira e seus diferenciais de pressão.
Figura 01 – Painel elétrico do sistema executado no trabalho.
4.3 Instalação do inversor
Para adequação do novo sistema mais eficiente será instalado inversor de freqüência
que acarretara na mudança do layout do painel, onde, será necessário retirar a soft starter
substituir algumas caneletas e adicionar um cooler com alimentação de 220 V com rotação
máxima de 2000 RPM para auxiliar na troca de calor através da exaustão do ambiente do
painel e em seguida instalar o inversor e realizar as conexões dos condutores de cobre
isolados em EPR 90º 3#35 mm² conectados ao barramento principal através de dispositivo de
manobra e seccionamento existente, tanto do inversor quanto do motor, após as conexões será
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posicionado o sensor e condutores de sinais elétricos de comando (par blindado 2x1mm com
malha de aterramento) dos respectivos bornes do equipamento, este processo nos permitira
manter o sistema estabilizado através do controle de rotação que o inversor nos proporciona
sempre seguindo as orientações contidas no manual do equipamento sobre como utilizar seus
recursos de controle analógico.
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5. DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES UTILIZADOS NO SISTEMA
5.1 Soft Start
Soft start é um dispositivo eletrônico composto de pontes tiristorizadas (SCRs na
configuração antiparalelo acionadas por uma placa eletrônica, a fim de controlar a corrente de
partida de motores de corrente alternada trifásicos. Seu uso é comum em bombas centrífugas,
ventiladores, e motores de elevada potência cuja aplicação não exija a variação de velocidade.
A soft-stater controla a tensão sobre o motor através do circuito de potência,
constituído por seis SCRs, variando o ângulo de disparo dos mesmos e conseqüentemente
variando a tensão eficaz aplicada ao motor. Assim, pode-se controlar a corrente de partida do
motor, proporcionando uma "partida suave" (soft start em inglês), de forma a não provocar
quedas de tensão elétrica bruscas na rede de alimentação, como ocorre em partidas diretas.
Figura 02 – Exemplo de Soft Start
De acordo com (LEITE, 2000) o comando de motores elétricos por aparelhos tipo
“tudo ou nada” e uma solução apropriada para o funcionamento de uma grande variedade de
maquinas. Tem, no entanto, algumas limitações que podem torná-los inconvenientes para
certas aplicações.
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- elevação de corrente na partida que pode perturbar o funcionamento de outros
aparelhos ligados a rede, - golpes mecânicos no momento das partidas e paradas prejudiciais
para a maquina, ou para o conforto e segurança dos usuários, - funcionamento a velocidade
constante.
Os soft-start e conversores estáticos eletrônicos eliminam estes inconvenientes.
Destinados ao comando de motores de corrente continua e corrente alternada, asseguram a
aceleração e a desaceleração progressivas e permitem uma adaptação rigorosa da velocidade
as condições de operação. Conforme o tipo de motor. Os acionamentos utilizados são do tipo
conversor de corrente continua, conversor de freqüência ou regulador de tensão.
Costumam funcionar com a tecnologia chamada by-pass, a qual, após o motor partir e
receber toda a tensão da rede liga-se um contator que substitui os módulos de tiristores,
evitando sobreaquecimento dos mesmos.
5.2 Inversor de Freqüência
O conversor de freqüência, também conhecidos como inversor de freqüência, são
dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada senoidal, em tensão
contínua de amplitude e freqüência constantes e finalmente converter esta última, em uma
tensão de amplitude e freqüência variáveis.
A denominação Inversor ou Conversor é bastante controversa, sendo que alguns
fabricantes utilizam Inversor e outros Conversor. Inerentemente ao projeto básico de um
Conversor de Freqüência, teremos na entrada o bloco retificador, o circuito intermediário
composto de um banco de capacitores eletrolíticos e circuitos de filtragem de alta freqüência e
finalmente o bloco inversor, ou seja, o inversor na verdade é um bloco composto de
transistores IGBT, dentro do conversor. Na indústria, entretanto, ambos os termos são
imediatamente reconhecidos, fazendo alusão ao equipamento eletrônico de potência que
controla a velocidade ou torque de motores elétricos.
Eles são usados em motores elétricos de indução trifásicos para substituir os rústicos
sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como polias e variadores hidráulicos,
bem como os custosos motores de corrente contínua pelo conjunto motor assíncrono e
inversor, mais barato, de manutenção mais simples e reposição profusa.
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Figura 03 – Exemplo de Inversores de Frequência
Economia de Energia
Aumente ainda mais sua economia de energia utilizando os Inversores de Freqüência
CFW701HVAC em conjunto com os motores W22 Premium, que possuem o melhor
rendimento do mercado. Com esta solução você pode reduzir o consumo de energia elétrica
em aproximadamente 15%, contribuindo assim para o desenvolvimento sustentável do
planeta.
5.3 Transdutores de Pressão
Numa interpretação ao pé da letra da palavra transdutor, poderia ser dito que é
qualquer dispositivo que converte um tipo de movimento ou sinal em um outro.supõe-se aqui
que algum tipo de movimento mecânico gerado por forças de pressão é convertido em um
sinal elétrico ou eletrônico para ser usado em medição e controle. Os transdutores mais usados
para detecção de pressão são aqueles que operam baseados nos princípios extensômetro
indutivos, piezoelétrico, capacitivos, oscilatórios e princípios semelhantes a estes.
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Na definição mais geral ,um transdutor é um dispositivo que recebe um sinal e o
retransmite, independentemente de conversão de energia.
Porém, em uma definição mais restrita (e bastante utilizada)é de que transdutor é um
dispositivo que transforma um tipo de energia em outro utilizando para isso um elemento
sensor.
5.4 Caldeira
Caldeira é um trocador de calor complexo que produz vapor de água sob pressões
superiores a atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e de um elemento
comburente, o ar, estando constituído por diversos equipamentos associados e perfeitamente
integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível.
Figura 04 – Exemplo de Caldeiras.
Funcionamento da caldeira
O funcionamento da uma caldeira e de forma genérica a absorção da energia da
queima de um combustível, solido, liquido, ou gasoso, ou por conversão de energia elétrica ou
ate por fissão nuclear, que através de uma troca térmica eleva a temperatura da água ate esta
transformar em vapor, podendo este vapor ser:
- Vapor saturado, é o vapor que se encontra no limite entre a temperatura de
condensação ou evaporação.
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- Vapor superaquecido, é o vapor com temperatura acima da saturação, resultante do
fornecimento de calor ou vapor saturado.
Tipos de caldeira:
- Caldeira flamotubolares, Caldeiras de tubos verticais, Caldeira de tubos horizontais.
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CONCLUSÃO
De acordo com os recurso do novo sistema concluimos que esse projeto e mais eficas
e seguro que o atual, por proporcionar melhor qualidade de vapor e agua quente em suas
aplicaçoes , tendo tambem como vantagem a reducao nos gastos, por diminuir o desperdicio
de lenha ou energia. E baseado nesse projeto podemos ver o qunato sao amplas, as aplicaçoes
dos componentes ( inversor de frequencia, transdutor de pressao, pressostato, soft start).
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL - Sistemas e técnicas de medição e controle operacional. Editora Hemus; Escrito por: Harold Soisson.
- GIESELER, Ilvo Wilson; ROTTA, Humberto Editora Hemus. São Paulo.
- < http://www.aalborg-industries.com.br/general.php?ix=94>
- <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAM08AL/apostila-sobre-inversores-frequencia-
iii>
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