Otimização de um sistema de enchimento de garrafas(parte1)

Este post apresenta a utilização de um método de produção mais ecológico para a optimização da eficiência energética dos compressores de ar. O método desenvolvido durante a investigação é aplicado a um problema da indústria numa instalação que enche garrafas de PET Politereftalato de etileno com água mineral. Sistemas de produção de garrafas em grandes empresas de produção de bebidas muitas vezes têm várias linhas de produção de garrafas PET. Um problema comum nestas linhas é a falha dum dos compressores usados para uma máquina de fabrico e em tais sistemas. Estas falhas de equipamento impedem as empresas de produção dos seus produtos até que o compressor e sua linha de obtêm a respectiva reparação. Desta forma as empresas estão perdendo recursos financeiros significativos, e portanto neste post uma possível solução é dada para tal problema. O principal objectivo da solução de optimização proposto é focado na melhoria da confiabilidade do sistema e maior eficiência energética. Isto pode ser conseguido através da substituição de múltiplos compressores anteriores de várias capacidades com uma estação de compressão múltipla com uma capacidade maior optimizada e personalizada para uma solução específica. Além disso outro objetivo é estabelecer uma plataforma para um desenho retrofit numa empresa com um orçamento limitado. Como resultado desta investigação a sugestão é dada para que os compressores de alta pressão, ligados a quatro linhas individuais para soprar às garrafas PET, estivessem ligados a um tanque de alta pressão. Deste modo a fiabilidade do sistema foi aumentada. Durante a investigação foram utilizados métodos de simulação de eventos discretos para verificar uma proposta de solução e para auxiliar os investigadores na determinação de um desenho ideal de um sistema de fornecimento de ar. A solução dada foi baseada numa combinação adequada de ciclos de sopradores de garrafas PET, o que melhor atende a demanda total de ar comprimido com base em métodos relacionados ao desenho robusto e ao desenho das experiências.
1. Introdução
Várias empresas estão implementando iniciativas ecológicas que estão a ajudar a obter novas vantagens competitivas no mercado e a construção duma imagem pública ambientalmente consciente, exibindo boa gestão de produtos além de cumprir com os requisitos regulamentares e ao mesmo tempo estabelecer cadeias de abastecimento ecológicas. Muitas empresas actualmente estão a utilizar métodos baseados no custo das actividades para justificar os investimentos de um capital relacionado com o desenvolvimento de um sistema de produção ecológico. O desenvolvimento e implementação de métodos de produção verde estão relacionados com diversos factores externos e internos específicos de diferentes negócios. Além disso as empresas estão sempre à procura de formas de utilizar o mínimo de recursos possível para começar o trabalho feito com um exame completo do impacto ambiental dos seus produtos e processos. Uma forma de conseguir isso é através do desenvolvimento de produtos ecológicos enquanto outras empresas se concentram em processos mais sustentáveis de produção verdes dentro de uma empresa.
Regulamentos ambientais recentes estão a colocar pressão sobre os produtores para cumprir os regulamentos e directivas ambientais. Uma tal directiva é da directiva de embalagens da União Europeia, com foco em embalagens com minimização de resíduos, reciclagem e recuperação de energia. Para este efeito o tema da eficiência de fornecimento de ar comprimido recentemente se tornou um foco de muitos projectos de investigação especialmente com o desenvolvimento de sistemas de medição de mecatrônica modernas que pode recuperar a informação substancial sobre os vazamentos e possíveis ineficiências do sistema. Especialmente nos países em desenvolvimento a possibilidade de desenhar completamente novos sistemas pneumáticos nem sempre é uma opção. Para o efeito soluções de reforma, re-manufactura e melhorias de eficiência energética são uma parte muito importante das iniciativas de produção ecológica. Alguns investigadores estão propondo caminhos para as iniciativas de contabilidade ecológica para justificar decisões de orçamento de capital.
Algumas das razões para a ampla aplicação de sistemas pneumáticos na indústria são amplamente disponíveis e tem abundantes recursos, longa vida útil de componentes, um bom cumprimento da legislação ambiental, o trabalho eficiente em ambientes perigosos, e alta velocidade dos actuadores e dos dispositivos, que são controladas com pneumática. Portanto o ar comprimido tornou-se uma das formas mais comuns da energia amplamente utilizada num espectro de diferentes indústrias, e está sendo utilizado em engenharia civil e geologia de minas assim como como em sistemas de fresagem, ferramentas manuais, sistemas de controlo, fundições, laminadores, produção de fios com cabo e borracha, sistemas de montagem, alimentos, química e indústrias farmacêuticas. Apesar do ar é um recurso abundante, sistemas de abastecimento de ar ainda precisam de energia para executar todas as válvulas e actuadores em sistemas de automação. Formas inovadoras são necessárias para diferentes melhorias que permitem às empresas gerir os seus processos de forma mais eficiente e com uma melhor linguagem de programação.
Muitas empresas que produzem compressores fornecem diferentes ferramentas e aplicações para ajudar as empresas no seu planeamento e optimização de sistemas de produção de garrafas, no entanto várias empresas ao redor do mundo ainda utilizam compressores que não são feitos por uma única empresa. Algumas empresas menores tentar readaptar compressores que foram utilizados para outras linhas de produção, eles necessariamente não compram um novo compressor para cada linha de produção, o dimensionamento padrão industrial de sistemas de ar comprimido dado neste post é uma nova abordagem porque o sistema de produção que foi observado durante um caso de estudo não foi um sistema de ar comprimido comum. Este tipo de sistema pode operar em pressões entre 6 e 8-bar e é destinado para os consumidores em geral. O sistema de produção que foi optimizado e analisado durante este estudo foi um sistema de ar comprimido específico destinado exclusivamente a de alta pressão de ar comprimido consumidores de sopradores PET. A sua pressão de funcionamento foi de 32 e até 40 bar. Para substituir múltiplos compressores com uma única estação de compressor para várias linhas de sopradores PET é uma tarefa difícil pois em geral os compressores são de produtores diferentes e cada um com seus próprios sistemas de controlo e com características específicas de eficiência energética. Assim a escolha da combinação de certos de compressores existentes a fim de melhor produção de ar comprimido e controlo e para melhorar a confiabilidade e eficiência energética, foi um desafio que precisava de um planeamento cuidadoso de cálculos e simulação de eventos discretos.
Os grandes produtores de bebidas costumam ter várias linhas de produção de garrafas PET e frequentemente têm que parar a produção e perder dinheiro por causa da falha no compressor, além disso eles não utilizam compressores existentes de forma eficiente por causa das mudanças nas linhas de produção. O desenho técnico de garrafas de plástico está em constante mutação e as tendências actuais para a geologia e redução de resíduos estão a levar a mudanças na forma com os produtores que têm linhas e que são adaptadas e redesenhadas muitas vezes por enfrenta este problema. Muitos deles não têm recursos financeiros para a aquisição de aplicações de vários produtores de compressores, ou até mesmo para comprar equipamentos de controlo mais recente. Com isto tendo mente a utilização que eles têm actualmente tem estado a desenvolver e novas técnicas de optimização e ainda existe a necessidade de muitas empresas.
Este post apresenta uma nova plataforma de produção ecológica para uma gestão eficiente de suprimento de ar em sistemas pneumáticos na indústria. O modelo apresentado neste post foi aplicado a um problema da indústria com foco a diversas actividades de planeamento feito num modelo de um sistema para encontrar a solução ideal em ambientes digitais e com métodos de simulação de eventos discretos para verificar os cálculos relacionados. A ideia principal é tentar conceber um sistema de produção melhorado que iria produzir um determinado produto duma forma mais eco eficiente e assim identificando as ineficiências existentes e desenvolver um modelo matemático para uma maior optimização e melhoria da eficiência energética. Vários estágios de planeamento relacionados à identificação de ineficiências energéticas de compressores são explicados neste post e dessa forma um sistema de produção mais ecológico e podendo assim ser se desenvolvido.
2. Produção de garrafas de água e consumo
O consumo total de água engarrafada está continuamente a aumentar devido a recentes descobertas relacionadas a possíveis poluentes que podem prejudicar a saúde humana assim como o aumento das preocupações dos clientes sobre a qualidade da água. Muitos clientes estão dispostos a pagar mais apenas para se certificar de que a água que bebem é segura. Outras razões estão relacionadas a mudanças no estilo de vida como a disponibilidade de garrafas de água engarrafadas em diferentes locais e o poder de compra dos consumidores. Alguns investigadores sugerem que o consumo global de água engarrafada aumentou em setenta por cento a partir de 2001 até 2007. Este aumento pode também estar relacionado com uma publicidade muito eficiente principalmente na Europa e nos Estados Unidos da América como se observa a matriz ortogonal fatorial fracionária para compressores na TABELA01.

Compressores
Run (KXY)
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
2
1
0
1
0
1
1
1
0
0
3
1
0
1
1
0
1
0
1
0
4
1
0
1
1
1
0
0
0
1
TABELA01
Custos de ciclo de vida de produto de água engarrafada incluem toda a energia necessária para a fabricação de garrafas PET, incluindo o processamento da água e embalá-la em garrafas, selar garrafas, transporta-las para os clientes e manter as temperaturas frias antes de ser vendida e consumida. Os estudos têm mostrado que este processo precisa algo entre 5,6 milhões e 10,2 milhões Joules de energia por litro que é duas mil vezes mais do que a energia necessária para produzir um litro da água da torneira: 5000 Joules de energia por 1 L. A energia que está sendo utilizada para produzir água engarrafada é de 0,33 por cento do consumo total de energia nos EUA e a maioria das garrafas estão a ser produzidas de PET virgem. A maior percentagem de consumo de energia para a produção de água engarrafada é utilizado para a produção de garrafas e transporte e não para o processamento de água e embalagens e armazenamento em temperaturas frias. Muitas empresas de engarrafamento estão implementando a ISO 14001 mas ainda há muitas discordâncias sendo que identificados por vários investigadores. Assim um método de optimização dos requisitos dum sistema de produção de garrafas de fornecimento de ar é muito importante para a pegada ambiental global do ciclo de vida de água engarrafada.
2.1. A eficiência energética dos sistemas pneumáticos
IMAGEM01
IMAGEM01
Sistemas pneumáticos tem uma boa velocidade, baixa taxa de explosões e de fácil regulação de velocidades e forças, confiabilidade, e ciclos de vida mais longos. No entanto o ar comprimido não é algo que é livre de custos, os custos de energia contribuem para 75% dos custos totais de produção de ar comprimido. O ar é gratuito mas só antes da fase de compressão mas quando se torna um fluido utilizado para trabalhar no sistema de produção. A partir desse momento qualquer ar comprimido tem seus próprios custos de operação e de distribuição e ainda é uma das fontes mais caras de energia em sistemas de produção, o seu custo total do ciclo de vida também está relacionada aos investimentos de equipamentos e sistema de manutenção. Ainda assim compreende a quarta forma mais comumente utilizada de energia depois de electricidade, gás natural e água. Os custos do ciclo de vida do ar comprimido são dados na IMAGEM01. A maior percentagem dos custos associados com o uso de ar comprimido em sistemas de produção está relacionada com a utilização de energia eléctrica seguindo-se dos custos de investimento inicial e da manutenção.
O problema é que em muitos sistemas de produção apenas uma porção do ar comprimido total é utilizada, cerca de 10% do consumo total de energia industrial é utilizado para gerar ar comprimido em sistemas de produção o que torna o ar comprimido uma das formas mais caras de energia na indústria, os custos operacionais anuais de compressores de ar, secadores, e equipamento de apoio pode representar 70% a 90% da conta de energia elétrica total. Apenas cerca de 10 a 20% da energia total de entrada é utilizada para o trabalho útil em sistemas de ar comprimido.
IMAGEM02IMAGEM02
Por isso uma necessidade de uma optimização do fornecimento de ar em sistemas pneumáticos é aparente e novos métodos de produção ecológicos tem que ser desenvolvido para auxiliar os técnicos no planeamento e na economia dos recursos da sua empresa e permitindo a produção de energia mais eficiente. Métodos de produção ecológicos são importantes devido às reduções de custo e energia utilizada que podem ser conduzidos por identificar ineficiências existentes no sistema e o método para aumentar a fiabilidade e o desempenho de todo o sistema pneumático assim como reduzir o impacto ambiental, com menos consumo de energia eléctrica durante o processo de compressão de ar como mostrado na IMAGEM02 os motivos para a produção de sistemas de fornecimento de ar.
IMAGEM03
IMAGEM03
O alto custo da utilização de sistemas pneumáticos na indústria está relacionada a algumas propriedades básicas do ar como um líquido que está a ser utilizado em sistemas pneumáticos e alguns destes são a compressibilidade do ar, as impurezas no ar comprimido, propriedades lubrificantes pobres de ar puro, transferência de calor elevado, e o ruído, como mostra na IMAGEM03 de factores relacionados ao alto custo dos sistemas pneumáticos na indústria.
● Compressibilidade do ar: Para comprimir o ar dentro do sistema, são necessários longos ciclos de compressores. Durante a fase de compressão uma grande quantidade de energia é convertida em energia térmica que é a razão dos compressores serem basicamente máquinas com baixos índices de eficiência energética. Accionadores pneumático pode ser utilizados com forças inferiores até 30 KN, além disso o calor gerado provoca outro problema relacionado com a lubrificação que provoca a corrosão e desgaste do material no sistema e também faz com que as temperaturas mais elevadas do compressor.
● As impurezas no ar comprimido: Ar é utilizado e comprimida no seu modo virgem e tem impurezas e humidade causando corrosão e desgaste de componentes pneumáticos e tem de ser purificado.
● Propriedades lubrificantes pobres do ar puro: componentes pneumáticos compressores, atuadores e outros componentes que são utilizado no sistema de produção e têm de ser lubrificados.
● Fraca transferência de calor: Devido à sua fraca convecção (resfriamento) das propriedades de necessárias para resfriamento adicional em sistemas pneumáticos.
● Ruído: Uma vez que ele sai do sistema pneumático o ar comprimido é muito alto então filtros feitos de materiais porosos tem que ser utilizados (outlets).
2.2. Problema de um capacitado desequilibrado num sistema de fornecimento de ar
Muitos sistemas de produção de pneumáticos têm vários compressores. As características mais comuns de um compressor são de 71 kW e com uma operabilidade de 3500h por ano. O problema no planeamento de capacidade do sistema pode ser causado pela eficiência energética do sistema global de não ser totalmente determinado. Muito frequentemente a principal preocupação está relacionada com o desenvolvimento de sistemas de automação o que proporcionaria a maior produção industrial possível. No entanto alguns sistemas de produção não são sempre operandos pela sua capacidade total ou podem ser usados para diferentes tipos de bebidas. Em muitas ocasiões esses sistemas de automação poderiam controlar unidades de alimentação de ar separados e pode não necessariamente ser interligados em um sistema de produção integrada por computador e várias razões podem influenciar a tomada de decisão para o uso mais eficiente dos sistemas de abastecimento de ar e sua integração futura. Algumas dessas razões são necessários para facilitar o equilíbrio do sistema e manutenção do sistema.
IMAGEM04
IMAGEM04
A maior influência sobre a eficiência energética global de um sistema pneumático está relacionada com as perdas de energia durante as fases de produção, distribuição e consumo. Uma das mais importantes é a perda de calor durante a fase de compressão e além destes, outros fatores muito importantes relacionados com a fase de compressão são a localização dos compressores do sistema pneumático, a energia utilizada para a compressão, o processo de lubrificação, a escolha do compressor, e processo de utilização do compressor no sistema de controlo, como mostrado na IMAGEM04 os factores relacionados com a eficiência dos compressores num sistema pneumático. Para o efeito que é apresentado neste post é focado num modelo de simulação utilizado para determinar o melhor uso de compressores existentes no sistema através do modelo de controlo desenvolvido.
IMAGEM05
IMAGEM05
Optimização do desenho técnico de um multi compressor avalia o sistema pneumático e centra-se na melhoria da eficiência energética para resultar em sistemas de produção menos dispendiosos mais eficientes que podem salvar empresas recursos substanciais e reduzir as emissões globais de gases com efeito de estufa de uma empresa, resultando assim numa menor pegada ambiental global e melhorando a imagem da empresa. O método de optimização sugerido nesta investigação centra-se nas seguintes fases: a validação de todos os compressores de capacidade que são utilizados ​​num sistema de fabrico a optimização do desenho técnico do compressor a modelação da capacidade global do fornecimento de ar e avaliação de múltiplos compressores numa estação através de simulações como apresentado na IMAGEM05.
3. Metodologia a optimização do sistema de produção para a garrafa de água
Enviar um comentário