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INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Renato de Brito Sanchez , 2 5 INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Apresentação Olá estudante, este bloco será responsável por apresentar o tema que trata a parte elétrica das instalações industriais. Dessa forma, a capacidade energética da instalação será colocada em pauta de maneira a tratar a demanda e os projetos relacionados a ela. Em seguida veremos outras duas formas de atuação nas indústrias responsáveis pela transmissão de forças, conhecidas como pneumática e hidráulica, assim como suas vantagens e limitações. Finalizando o tema com as Instalações para vapor d’água, gases industriais e água. 5.1 Instalações elétricas Esta etapa atrelada às instalações elétricas industriais vem de grande importância para a etapa que se refere às indústrias, sistemas e definições. Alguns fatores como dimensionamento da carga, previsão de demanda, definição de cabeamento, entre outros, definem o projeto elétrico industrial. Quando tratamos de dimensionar a carga de determinada instalação, seja industrial ou predial, nos referimos à determinação da corrente necessária para a instalação elétrica do projeto. Assim como, estabelecer a quantidade de tomadas, pontos de luz, e disjuntores a serem utilizados, garantindo que todos os equipamentos utilizados sejam ligados em correntes compatíveis. Quanto ao dimensionamento industrial, se faz necessário determinar uma série de cálculos que venham determinar as operações de maneira unitária, calculando também propriedades físicas dos equipamentos, transportes, transferências de calor ou massa nos processos industriais. Consiste também nesse dimensionamento as análises de produtividade e rentabilidade do processo, de modo a garantir que o potencial de desempenho seja de maior eficiência possível. , 3 Conforme Gallotti (2019), as instalações elétricas industriais estão voltadas para os geradores e ramais relativos ao suprimento de energia de máquinas e elementos elétricos relacionados à fabricação de produtos, seja para uso cotidiano, ou mesmo dispositivos elétricos utilizados em processos industriais de fabricação. Projetos elétricos industriais e prediais são bem semelhantes, entretanto alguns pontos se diferem, como no levantamento de cargas onde devido elevadas cargas e diferentes tensões tornam o projeto industrial um pouco mais complexo. Ao contrário das instalações prediais, no setor industrial nos deparamos com máquinas com tensões de 380v, 440v e 760v por exemplo. Na imagem abaixo é possível ver uma rebobinadeira que opera sob alta tensão, utilizada comumente na indústria para desenrolar de forma alinhada uma bobina ou rolo maior de material para que seja transformado em rolos menores: Fonte: Alvarez Ultra. Link <https://alvarezultra.com/es/product/ultra-grande-600- 2/?gclid=Cj0KCQjw6pOTBhCTARIsAHF23fK328vrGcqJXdVBTzblBtMDAto7Ic5gFyoUu6_1k9Vjm- nlhPM0kZAaAkhBEALw_wcB> Figura 5.1 – Rebobinadeira Ultra-Grande 600 Outro elemento que relaciona segurança com geração de energia é o gerador elétrico industrial. Variando desde os mais simples até os mais complexos com funções que , 4 variam com o abastecimento da indústria e até mesmo suprimento de energia devido a sua falta por meio da concessionária. O seu dimensionamento também está ligado à demanda da instalação em questão, veja na imagem abaixo o exemplo de um gerador: Fonte: Bespaliy via Shutterstock. Figura 5.2 – Gerador à diesel Enquanto um projeto elétrico industrial contempla os ambientes destinados a atividades industriais consistindo no levantamento de todas as características elétricas que a instalação necessitará de modo a suprir todas as exigências técnicas assim como as respectivas necessidades dos clientes. Tais instalações possuem características pertinentes a alta potência demandada, elevada tensão e capacidade de acionamento desses motores. Os aspectos devem ser previstos durante a elaboração do projeto elétrico industrial, a fim de que a execução das instalações dos circuitos se baseie nos procedimentos de um projeto personalizado, sem esquecer-se de seguir as devidas normas regulamentadoras. https://www.shutterstock.com/pt/g/Bespaiy , 5 O profissional responsável pela elaboração de um projeto deve reunir informações importantes relacionadas à instalação tais como: conhecimento dos suprimentos de energia elétrica; planta baixa de arquitetura da instalação; planta detalhada contendo colunas e vigas; e a planta baixa com disposição física das máquinas. Dentre os itens que um projeto elétrico industrial deve contemplar citamos: • Divisão de circuitos elétricos; • Dados sobre a corrente elétrica; • Discriminação da potência de cada ramal; • Balanceamento das fases; • Lista de cargas; • Informações sobre a bitola dos cabos; • Informações sobre a distribuição dos eletrodutos; • Descrição dos elementos de proteção a serem instalados; • Projeto elétrico funcional e construtivo de painéis de comando e controle; • Diagrama unifilar. Um aspecto importante quando lidamos com instalações elétricas são os cabos, com eles sendo os responsáveis por conduzir a eletricidade de forma correta e segura, como dito anteriormente, informações sobre a bitola dos cabos devem ser adequadas para a finalidade na qual serão utilizadas, com esse aspecto sendo também um dos mais simples de serem especificados, já que facilmente é possível encontrar tabelas na internet, como a Tabela 5.1 a seguir: , 6 Tabela 5.1 – Correntes dos cabos PVC Fonte: SIL Fios e Cabos elétricos, Tabelas, 2022. Como pode ser verificado na Tabela 5.1, cada cabo possui uma capacidade de corrente, com essa corrente devendo ser respeitada, nesse caso a tabela são para cabos de PVC trabalhando até 70°C, sendo uma padronização utilizada, não importando qual o fabricante do condutor. Também é possível encontrar na indústria, cabos do tipo EPR, que se diferem dos cabos de PVC, por possuírem uma capacidade de corrente maior mantendo o mesmo diâmetro de cabo, sendo que isso se deve ao fato de possuírem isolação dupla, e operarem a uma temperatura maior. Tabela 5.2 – Corrente dos cabos EPR Fonte: SIL Fios e Cabos elétricos, Tabelas, 2022. , 7 Todo o circuito de proteção, como disjuntores e fusíveis, deve ser dimensionado corretamente para que os cabos estejam seguros, sendo que esses dispositivos de segurança são para proteção da infraestrutura elétrica e não propriamente a máquina em si, com os danos à máquina podendo ser amenizados quanto mais bem dimensionado o circuito elétrico for, com a máquina estando realmente segura, quando levamos em consideração outros fatores, como aterramento adequado, número de condutores nos eletrodutos e outros dispositivos de segurança. Tendo em vista todas as características das instalações, a secção mínima dos condutores utilizados nas instalações elétricas é como pode ser visto na Tabela 5.3, sendo praticamente o mais comum, utilizado em circuitos de iluminação, cabos de 1,5mm e circuitos de força, cabos de 2,5mm, salvo os casos específicos, onde a instalação precisa ser todo corretamente dimensionada de acordo com os equipamentos e circuitos a serem ligados. Tabela 5.3 – Secção mínima condutores Fonte: SIL Fios e Cabos elétricos, Tabelas, 2022. Quando lidamos com dimensionamento de instalações elétricas, devemos considerar a NBR 5410:2018 e os requisitos para dimensionamento das cargas, demanda e seus respectivos circuitos, além dos dispositivos de proteção. , 8 Exemplo: Consideremos um cabo de 10mm, sua corrente de acordo com a tabela está entre 50A e 57A, ou seja, circuito bifásico ou trifásico, e ainda um disjuntor termomagnético de 40A, em um sistema trifásico, vale lembrar que comercialmente, os disjuntores de 40A já pulam para 50A e 60A, maslevando-se em conta que o sistema é um circuito trifásico o cabo de 10mm possui corrente de 50A, consideramos então uma margem de segurança, nesse caso estaremos utilizando o disjuntor de 40A. 40A x 220V x √3 ≅ 15.242W Ou seja, em uma instalação qualquer, considerando uma entrada trifásica de 220V, e um disjuntor geral de 40A, possuímos uma capacidade de carga previsto para a instalação de 15.242W, onde o cabo utilizado para alimentar o disjuntor é um cabo de 10mm, ou seja, o circuito está teoricamente bem dimensionado, e podendo ser considerado nesse caso seguro, já que como pode ser visto, foi dado uma margem de segurança, com o cabo da instalação suportando uma carga maior que o disjuntor, mas teríamos um grande problema nesse caso, se fosse utilizado um cabo de 6mm que como pode ser visto na Tabela 5.1, ele possui uma corrente em circuito trifásico de 36A, estando abaixo da corrente do disjuntor, com o disjuntor não realizando a correta proteção do circuito elétrico, com o cabo da instalação a plena carga, ou seja, com uma carga de 15kW, o cabo iria esquentar até chegar seu ponto de rompimento. Esse exemplo não é uma regra geral, já que nas instalações elétricas ainda devemos considerar a definição da demanda, além da correta distribuição de carga entre fases, sendo que como exemplo, um circuito com 80 cargas de 15kW, teríamos uma potência calculada de 1.219kW sendo que um cabo de 500mm em circuito trifásico 220V, teríamos uma carga de 289kW muito abaixo dos 1.219kW, isso se dá pelo fato que nunca iremos ter na instalação, 80 circuitos funcionando simultaneamente, ou seja, entra o fator de simultaneidade e outras considerações, sempre tomando o cuidado com o subdimensionamento. , 9 Outra característica do dimensionamento dos circuitos elétricos, é a criação dos diagramas unifilares, que nada mais são, que um desenho técnico, sendo uma representação gráfica das instalações elétricas existentes, tendo a sua simbologia definida diretamente pela ABNT, com este sendo apenas um dos quatros tipos de diagramas elétricos existentes, sendo considerado um dos principais entre eles. Figura 5.3 – Exemplo de diagrama unifilar, completo Figura 5.4 – Exemplo de diagrama unifilar, entrada , 10 Figura 5.5 – Exemplo de diagrama unifilar, distribuição entre 3 transformadores 5.2 Instalações hidráulicas e pneumáticas Ao discutirmos o tema relativo à força movimentada por recursos alternativos, os principais sistemas a que estamos nos referindo dizem respeito à hidráulica e pneumática. Enquanto a hidráulica é movida pela força de fluídos, o sistema pneumático atua pelo princípio do ar a fim de gerar força e movimento. Neste contexto, o processo de automação tem o intuito de tornar o processo mais eficaz, seguro e confiável de forma a unir a automação industrial com estas aplicações. Além também de coexistir com sistemas elétricos, de forma a conectar tais sistemas com a energia elétrica criando a eletrohidráulica e eletropneumática. 5.2.1 Vantagens e aplicações da automação pneumática Segundo Costa (2003), a definição de automação remete a ideia de utilizar a energia elétrica ou mesmo mecânica para acionamento de determinado tipo de equipamento, de maneira a acrescentar algum tipo de inteligência para a execução da tarefa de modo mais eficiente possível levando em conta fatores como economia e segurança. Mas como todo processo é necessário conhecer as vantagens e limitações do processo, a fim de ser utilizado da maneira mais benéfica que puder, assim sendo, veja abaixo alguns fatores que tornam a automação Pneumática vantajosa: , 11 Fomento da produção por meio de um investimento relativamente baixo; • Desenvolvimento dos elementos de trabalho simplificados; • Lógica de operação de fácil compreensão facilitando assim a operação por profissionais que não possuem alta especialização; • Através da agilidade dos movimentos pneumáticos, é possível reduzir custos operacionais, desprendimento da mão de obra humana em operações repetitivas, possibilitando assim o aumento do ritmo de produção, alcançando um aumento de produtividade e, consequentemente um menor custo de operação; • Outro fator relacionado a ações repetitivas se dá pelo fato da diminuição de acidentes, visto que a fadiga é um dos fatores causadores de acidentes no trabalho; • A robustez intrínseca dos sistemas pneumáticos faz com que sejam tolerantes a vibrações e pancadas, de forma a possibilitar que as operações mecânicas de seu processo sirvam de sinal para as variadas sequências de operação; • Facilidade de implantação e manutenção: Pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas à disponibilidade de ar comprimido, são os requisitos necessários para implantação dos controles pneumáticos; • Fatores como poeira, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, e atmosfera corrosiva dificilmente prejudicarão os componentes pneumáticos quando projetados para este fim; • Pelo fato destes sistemas operarem com pressões moderadas, além de não serem suscetíveis a explosões, eles se tornam mais seguros contra acidentes que possam envolver os profissionais envolvidos no processo; • Seu uso na indústria é de grande relevância na automação nas variadas áreas da produção, contudo também pode ser utilizadas em diversas áreas comerciais, como aplicações que vão desde o setor de pintura, até o setor da , 12 mecânica por meios das chaves parafusadeiras de impacto, chaves de impacto pneumáticas, macacos pneumáticos, entre outros equipamentos. Entretanto encontramos algumas limitações relacionadas à utilização da automação pneumática, tido como desvantagens neste processo, veja alguns desses fatores abaixo: • O uso do ar comprimido requer uma preparação adequada para realização do trabalho, dentre esses constantes cuidados temos a necessidade da remoção de impurezas, retirada da umidade a fim de evitar a corrosão nos equipamentos, além da lubrificação de elementos para evitar desgastes no sistema; • Normalmente os sistemas pneumáticos são projetados para uma pressão máxima que chega até 220psi ou 1723 kPa. Dessa forma, a força envolvida é relativamente baixa em comparação a outros sistemas. Não sendo indicada no uso de controles pneumáticos em operação de extrusão de metais; • Por conta da alta compressibilidade do fluido, é muito difícil de realizar velocidades uniformes e paradas intermediárias; • O sistema pneumático é um grande poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera, porém este problema pode ser solucionado através de silenciadores nos canais de escape; • Por conta de suas propriedades físicas, dificilmente será possível alcançar velocidades extremamente baixas, recorrendo ao uso de sistemas mistos (hidropneumáticos) para atender este requisito. 5.2.2 Vantagens e limitações da hidráulica Da mesma forma do sistema pneumático, no sistema hidráulico é possível encontrar, entre suas aplicações, vantagens que tornam o sistema mais eficaz em determinadas situações, acompanhe: , 13 • O sistema hidráulico utiliza fluidos incompressíveis dos quais possuem uma densidade permanentemente constante em relação ao tempo, possuindo uma capacidade de oposição à compressão sob variadas ocasiões, tornando um sistema de maior eficiência. Além também de resultar na redução de vazamento em comparação com outros sistemas, alcançando assim um menor custo de manutenção; • Dispõe de uma consistente potência de saída, considerando esta dificuldade em sistemas de acionamento pneumáticos; • Sua eficiência não é alterada em condições ambientais de alta temperatura; Da mesma forma encontramos desvantagens ou mesmo limitações quanto ao seu uso, acompanhe alguns deles abaixo: • Por conta de sua grande estrutura física, é necessário um layout espaçoso paraimplantação do sistema; • Mesmo com uma pequena quantidade de impurezas no fluido hidráulico há uma grande possibilidade de danos permanentemente no sistema, devendo assim tomar cuidado além da instalação de filtros adequados; • É de suma importância a escolha do fluido, pois uma escolha errada pode resultar na corrosão em suas peças devido aos materiais compostos em sua fabricação; • Este sistema requer muita atenção aos vazamentos devido a sua propensão a este problema. Por conta disso métodos de prevenção, seleção de fluido e selos necessitam estar adequados ao sistema; • Faz-se necessário o descarte correto dos fluidos hidráulicos devido a sua condição prejudicial ao meio ambiente. , 14 5.2.3 Exemplo As instalações pneumáticas podem ser divididas em três partes, sendo elas a geração, distribuição e aplicação. Com a parte de geração sendo o local onde irá estar o compressor e o secador de ar, visando remover a umidade do ar. As linhas de distribuição são as tubulações de ar, na qual o ar comprimido será distribuído pela instalação e a parte de aplicação, como o nome já diz, é o ponto onde o ar comprimido será utilizado, seja para realizar alguma tarefa ou até mesmo automatizar um processo da linha de produção. Fonte: Autor, 2022. Figura 5.6 – Partes do sistema pneumático A figura a seguir é um exemplo de uma instalação pneumática, onde podemos ver a central de ar comprimido, onde é gerador e ressecado o ar, além das linhas de distribuição e os pontos de aplicação. Fonte: Transair, Instalação de rede de Ar Comprimido, 2022. Figura 5.7 – Exemplo de sistema pneumático , 15 5.3 Instalações para vapor d’água, gases industriais e água O vapor d´água vem de uma longa história na indústria, sendo inicialmente utilizado nas locomotivas e indústrias, sendo utilizado principalmente para utilização de energia, com o principal fator de seu amplo uso na indústria estando relacionado a ser um insumo de fácil acesso e relativamente barato, não agressivo à saúde ou ao meio ambiente, além de fornecer uma forma de transporte, controle e utilização de energia. Com essas características da água, o vapor é formado a partir da água que recebe calor e muda de fase, através da evaporação, para isso são utilizadas caldeiras, onde a água recebe calor, se torna vapor e essa energia em forma de calor recebido será transportada até o ponto de utilização. Dependendo da pressão da caldeira a água irá evaporar a determinada temperatura, formando vapor, sendo denominado saturado, o vapor saturado tem a grande vantagem de manter a temperatura constante durante o processo de condensação, quando mantido à pressão constante, sendo que às vezes se faz necessário reduzir a pressão do vapor no ponto de aplicação, sendo que a pressão controla indiretamente a temperatura dos processos. Fonte: Togawa, Uso do Vapor na Indústria, 2017. Link <togawaengenharia.com.br> Figura 5.8 – Relação Temperatura X Volume Na indústria, o vapor pode ser utilizado em processos de aquecimento direto ou indireto, movimentação e ainda limpeza e esterilização. No caso de movimentação temos como principal exemplo as Usinas Termelétricas, onde a caldeira aquecida através da queima de algum material combustível ou concentração dos raios solares , 16 (usina hipotérmicas), transforma a água em vapor, gerando circuitos com altas pressões, que movimenta uma turbina a vapor, que serve para gerar energia. Fonte: Usinas termoelétricas no Brasil: Vantagens e Desvantagens, 2015. Link <engquimicasantossp.com.br> Figura 5.9 – Esquema de funcionamento de uma usina termelétrica Outro exemplo de utilização é na indústria alimentícia, química e automotiva, onde o calor carregado pelo vapor é transferido ao objeto frio, através de trocadores de calor ou até mesmo injeção direta do vapor. Nesse caso podemos dizer que existem três tipos de vapor: o filtrado, o limpo e o puro. No caso do vapor filtrado como o próprio nome já diz, ele após ser produzido na caldeira convencionalmente, ele é filtrado, já o vapor limpo é utilizado água deionizada e destilada, e por final o vapor puro, similar ao vapor limpo, a água além de ser deionizado e destilado, precisa ainda ser isenta de pirogênios, com esse tipo de vapor sendo muito utilizado principalmente na indústria alimentícia. Em um projeto de instalações industriais a demanda de vapor é definida na concepção do processo de fabricação. Também nesta etapa fica definida outras características do vapor requerido, como por exemplo: vapor seco, úmido ou saturado, sua pressão nominal, sua quantidade etc. Destes dados, extraídos do fluxograma de processo industrial, desenvolve-se a concepção da geração de vapor, bem como a sua rede de distribuição por toda a empresa, onde houver a necessidade de vapor. , 17 O gerador de vapor (caldeira) é definido basicamente, pela demanda de vapor e sua pressão requerida, já as linhas de distribuição são definidas basicamente, pela sua vazão, pressão, e necessidade de purga automática de linha. Lembrem-se de que as linhas, apesar de isoladas termicamente, perdem calor para o meio ambiente através do isolamento térmico constantemente, em menor quantidade, mas ainda sim acontece este fenômeno térmico. Com a perda de calor, parte do vapor pode condensar na linha, gerando água na fase líquida dentro da linha de distribuição de vapor. Este líquido presente dentro das linhas de vapor podem gerar danos físicos a equipamentos que se utilizam deste vapor. Por exemplo, turbinas, trocadores de calor, reatores etc. Quanto à unidade de geração de vapor, alguns cuidados devem ser levados em consideração durante a sua instalação e operação. A instalação desta unidade deve respeitar a Norma Técnica NR-13, no capítulo onde se aborda a instalação do equipamento e sua sala. Neste caso, a sala deve ser dimensionada conforme a norma recomendada, como por exemplo: número de portas de acesso, altura do pé direito, distanciamento de paredes e o equipamento etc. Na linha de equipamentos de segurança, temos que instalar as válvulas de segurança, destinadas a descarregar vapor para a atmosfera (meio ambiente), em caso de aumento de pressão sem controle. No mínimo duas. Manômetros, termômetros, sensores de nível também são necessários para a operação e segurança do equipamento. , 18 Fonte: Link <https://i.ytimg.com/vi/F0QGNmNnot0/maxresdefault.jpg> Figura 5.10 – Válvula de segurança Na operação, procuramos minimizar os efeitos de degradação do equipamento ao longo do tempo. Efeito este causado normalmente pela corrosão que a água ocasiona nas caldeiras. Outro aspecto inerente à operação de caldeiras, é a obstrução em suas tubulações internas. A obstrução, diferente da degradação por corrosão, ocorre de forma muito rápida. Em questão de dias ou semanas a obstrução de uma caldeira pode levar a uma redução substancial de transferência de calor, com consequente aumento do consumo de combustível, ou até mesmo ao colapso físico da estrutura da caldeira, que pode levar à explosão da caldeira. Estes dois inconvenientes são causados pela água de alimentação das caldeiras. Para minimizar esses problemas, um tratamento físico-químico na água de alimentação da caldeira, é necessário. Este tratamento visa condicionar a água a ser menos agressiva a estrutura interna da caldeira. Diante disto, um reservatório de água de alimentação deve ser instalado para prover também a dosagem automática de produtos químicos. Geralmente é o mesmo reservatório onde ocorre o retorno de condensado. Válvulas de purga automaticamente pilotadas devem ser instaladas na tubulação de purga. Essas válvulas devem ser de acionamento rápido. Neste caso um painel elétrico de programação dessas válvulas se faz necessário. Também nesta mesma linha de purga, devem ser instalados pontosde amostragem do líquido contido dentro da caldeira. Esse ponto de , 19 purga deve ser resfriado a água fria para condensar a amostra no momento da extração. A água da amostra não deve ser aerada durante a sua coleta. Fonte: Vaportec. Link <https://vaportec.com.ve/productos/rtk/valvulas-de-purga-de-fondo/> Figura 5.11 – Válvula de purga Fonte: Autor, 2022. Figura 5.12 – Ponto de amostragem Conclusão Este bloco representou a introdução da energia elétrica no âmbito industrial, onde trata das instalações que demandam tensões elevadas com seus respectivos exemplos. Assim foi possível entender como funciona a metodologia relacionada à capacidade energética industrial e também a função de um projeto elétrico com suas etapas. , 20 Na sequência abordamos outras duas formas de energia que se relacionam com a transmissão de força. Aprendemos que a pneumática opera pelo princípio do ar, e a hidráulica é movida pela força de fluídos. Do qual ambos os sistemas podem atuar em conjunto da energia elétrica, tornando ainda mais automatizado o processo. REFERÊNCIAS ALVAREZ ULTRA. ULTRA-GRANDE-600 Línea Rebobinada de Alta Velocidad Continua. Alvarez Ultra. Disponível em: https://bit.ly/3INgZRl. Acesso em: 4 jul. 2022. COSTA, Isabele Morais; LISBOA, Stella Neves Duarte; SANTOS, Talita Pitanga. Automação industrial. Natal: Departamento de Engenharia de Computação e Automação-Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2003. FIALHO, Arivelto Bustamante. Automatismos pneumáticos: princípios básicos, dimensionamentos de componentes e aplicações práticas. São Paulo: Érica, 2015. GALLOTTI, Verônica Dias Moreira. O memorial descritivo no projeto de instalações elétricas. Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2019. (Trabalho de Conclusão de Curso) Disponível em: https://bit.ly/3RUBgbR. Acesso em: 18 jul. 2022. TOGAWA, Victor. Uso do vapor na indústria. Togawa Engenharia, 10 jan. 2017. Disponível em: https://togawaengenharia.com.br/blog/uso-do-vapor-na-industria/. Acesso em: 4 jul. 2022.
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