A indústria de transformação de resinas precisa enfrentar o desafio de melhorar sua pegada de carbono. Isso não se aplica apenas às empresas consideradas consumidoras intensivas de energia de acordo com a legislação alemã das energias renováveis (ErneuerbareEnergien- Gesetz – EEG), ou aquelas que introduziram um sistema de gestão de energia e foram certificadas de acordo com a norma técnica ISO 50001, por exemplo.

Em empresas que possuem injetoras, elas normalmente respondem por 60 a 70% do consumo total de eletricidade, seguidas pelo sistema de refrigeração da planta, com 15%. As medidas para aumentar a eficiência energética e reduzir a pegada de carbono são adequadas sobretudo para as injetoras já instaladas, especialmente porque estas são adquiridas prevendo-se que tenham vida útil de 20 a 25 anos.

Eficiência energética e utilização sob carga parcial

As injetoras são normalmente utilizadas em condições operacionais que se desviam muito das condições definidas em seu projeto. Por exemplo, a Arburg da Alemanha informou que os pontos comuns de operação das injetoras situam-se na faixa de 20 a80% da potência prevista em seu projeto⁽¹⁾, o que está em concordância com a experiência do autor. Levar em conta as condições de carregamento parcial das máquinas constitui um ponto crucial para avaliar sua eficiência energética. Isso ocorre porque os mesmos pesos das unidades de injeção e de fechamento têm que ser movimentados, mesmo quando a utilização da capacidade da máquina é menor.

Termografia obtida após a peça moldada ter sido removida do molde (M. König e H. de Vries. Stork IMM)

A carga básica da máquina exerce um efeito negativo sobre a eficiência energética, a qual será maior quanto menor for a utilização da capacidade da máquina. Portanto, as avaliações “unidimensionais”, como mostra a figura 1, também apresentadas em um documento técnico ⁽²⁾, são enganosas. Uma demanda específica de energia de 0,9 kWh/kg pode ser bastante apropriada e boa para um ponto de operação da máquina, enquanto um valor de 0,5 kWh/kg pode ser inalcançável mesmo para a máquina mais moderna.

Publicações que corroboram esta avaliação são conhecidas desde pelo menos 1997 ⁽³⁾. Também foram relatados aumentos às vezes sérios na demanda de energia ao se trabalhar sob carga parcial ^(4,5). No entanto, até agora a importância das condições da operação sob carga parcial dificilmente se fez sentir nas empresas. Mesmo os responsáveis pela produção pouco podem fazer com relação ao termo “carga parcial”, talvez também porque não sabem como determinar os estados em que essa condição ocorre. Somente com a inclusão de outras variáveis, ou seja, o grau de capa- cidade de utilização e a duração do ciclo, é que a eficiência energética e, portanto, o potencial de economia pode ser avaliado de forma realista.

Grau de utilização da capacidade das máquinas

Nas empresas de transformação de resinas entende-se que o grau de utilização das máquinas é principalmente definido pela razão entre o tempo de utilização e o tempo de operação planejado. Entretanto, a questão é até que ponto o produto manufaturado obtém o peso unitário para o qual o projeto da máquina foi baseado.

Fig. 1 – Aqui são mostrados os chamados “indicadores de energia” para máquinas de moldagem por injeção individuais (K. Lange (2); Gráficos: Hanser)

Assim, aqui será abordado deliberadamente o grau de utilização da capacidade das máquinas.

O que falta, além do esclarecimento, é a disposição dos fabricantes em fornecer informações abrangentes sobre as mudanças da demanda de energia ou da eficiência energética em toda a gama de aplicações da injetora. Diagramas com curvas características são geralmente disponibilizados no caso de motores, bombas etc., mas não para

Fig. 2 – Curvas de carga parcial para diferentes tipos de injetoras em função do grau de utilização da máquina (M. König; Banco de dados: A. Lohnecker, Engel; Gráficos: Hanser)

injetoras. Entretanto, os fabricantes de máquinas disponibilizam “curvas de carregamento parcial”.

O autor deste trabalho teve acesso a elas, mas não conseguiu obter cópias. Uma exceção é a Arburg (Alemanha), que forneceu pelo menos uma curva de carga parcial típica ⁽¹⁾, e a Engel – após fazer consultas, o autor deste trabalho encontrou indicações para carregamento parcial de diferentes tipos de injetoras. As informações são representadas em gráficos na figura 2.

O tempo de permanência da resina fundida na unidade de plastificação determina se o material injetado no molde (peso injetado) atende ou não aos requisitos de qualidade do produto. Em um projeto convencional, as espiras da rosca são preenchidas com resina cujo peso é de três a quatro vezes a massa a ser injetada em cada ciclo ⁽⁶⁾. Ao diminuir os pesos

da massa a ser injetada a cada ciclo, aumenta-se o tempo de permanência do material na unidade de plastificação, o que aumenta o risco de ocorrência de superaquecimento da resina fundida. Além disso, os sistemas de medição não mais funcionam com a precisão desejada se os pesos da resina a ser injetada forem muito baixos. Por outro lado, quando os pesos da massa a ser injetada estão acima do especificado no projeto da rosca, o tempo de permanência pode ser reduzido a tal ponto que o tempo de homogeneização da resina fundida se torna insuficiente.

Portanto, existem limites superiores e inferiores relacionados à qualidade para o grau de utilização da capacidade da máquina. Eles dependem do projeto da rosca e são geralmente descritos pelo trajeto

Fig. 3 – Demanda de energia específica para injetoras de diversos fabricantes sob diferentes graus de carregamento. Resultados em comparação com a respectiva curva de referência (M. König; Banco de dados: Schoeller Allibert; Gráfico: Hanser)

de dosagem, ou seja, a distância que a rosca percorre para trás para alocar o peso da resina fundida a ser injetada em um ciclo. Ao utilizar uma rosca convencional, os limites do trajeto de dosagem são geralmente definidos desde uma até três vezes o diâmetro da rosca (1 D a 3D) ⁽⁶⁾. Existem projetos especiais de roscas que permitem que os requisitos de qualidade também sejam atendidos na faixa desde 0,5D até 4D ⁽⁷⁾.

Valores de referência indicam a eficiência energética

As curvas de carga parcial (figura 2) foram traçadas assumindo-se que foram usadas roscas convencionais. Não foram disponibilizados dados adicionais sobre o consumo de energia elétrica. As máquinas da Schoeller Allibert GmbH também estavam dotadas com roscas convencionais. Portanto, para os tipos e portes de injetoras listados (tabela 1), houve interesse em verificar quão adequadas estas curvas de carga parcial eram para o próprio parque de máquinas. Assim, as evoluções das curvas foram posteriormente convertidas para a “escala D”.

O comportamento energético sob carga parcial estava no centro das considerações. O grau de utilização da capacidade da máquina foi calculado de acordo com os exemplos dados (tabela 2). A demanda específica de energia elétrica representada nas figuras neste estudo é definida como o consumo total de eletricidade de uma injetora no respectivo ponto de operação (kWh), relacionado à massa de resina (kg) transformada no mesmo período. Os resultados mostrados na figura 3 foram obtidos em uma época em que as máquinas ainda operavam com óleo hidráulico VG46. A mudança para o óleo VG22 começou mais tarde ⁽⁸⁾.

As demandas específicas de energia elétrica que foram determinadas encontram-se dispersas ao redor da respectiva curva de referência. Há várias, e “naturais”, razões para isso:

• A demanda específica de energia elétrica é influenciada pela duração do ciclo. Os resultados relativos a tempos de ciclo inferiores a 30 s são preponderantemente inferiores, enquanto tempos de ciclo superiores a 50 s são predominantemente superiores ao respectivo valor de referência;

Fig. 4 – Avaliação da necessidade de ação para aumentar a eficiência energética das injetoras hidráulicas (M. König; Banco de dados: Schoeller Allibert; Gráfico: Hanser)

• As máquinas com acumuladores de pressão de óleo hidráulico geralmente apresentam maior demanda de potência sob carga parcial se a pressão do acumulador não for ajustada conforme o ponto de operação, o que geralmente ocorre com acumuladores instalados antes de 2010;

• Os parâmetros operacionais não estão suficientemente ajustados à combinação de máquina e molde como, por exemplo, valor da força de fechamento desnecessariamente alto;

• Aumento da demanda de energia devido à necessidade de manutenção. No caso de uma rosca desgastada, o refluxo de resina fundida só pode ser evitado aumentando-se a velocidade de rotação da rosca.

A partir desses resultados pode-se concluir que a evolução das curvas de referência é fortemente influenciada pela duração do tempo de ciclo. A “normalização” das curvas de referência conforme o diâmetro da rosca garante que as curvas sejam válidas para uma ampla gama de pesos de peças para o caso 3D.

Potencial economia com ajuda de curvas de referência

Surge a questão sobre qual seria o benefício operacional que as curvas de referência apresentadas poderiam oferecer. Dúvidas sobre eficiência energética poderiam ser sanadas nos seguintes casos:

1) Ao avaliar a eficiência energética em um ponto de operação (figuras 4 e 5): há um potencial para economia de energia que pode ser aproveitado economicamente? Se sim, quão grande ele é?

Fig. 5 – Seleção de medidas econômicas para economia de energia visando melhorar a eficiência energética de injetoras híbridas (M. König; Banco de dados: Schoeller Allibert; Gráfico: Hanser)

2) Ao adquirir novas injetoras (figura 6): que economia de energia elétrica pode ser realmente esperada nos pontos de operação previstos em comparação com a situação atual?

As curvas de referência (figura 4) são usadas para avaliar uma melhoria realista da eficiência energética no respectivo ponto de operação. Os resultados são comparados diretamente com o valor de referência relevante. Um certo desvio em relação ao valor de referência é inevitável. Portanto, um resultado que não esteja mais do que 10% acima do valor de referência ainda é considerado “energeticamente insuspeito”, desde que o ciclo dure 100 s ou menos. Entretanto, se a demanda específica de energia elétrica estiver acima do limite de 10%, então as razões desse fato devem ser analisadas mais detalhadamente.

Para obter resultados confiáveis é imperativo só avaliar os intervalos de medição nos quais a máquina tenha produzido sem perturbações e de forma ininterrupta. Caso contrário, os

Fig. 6 – Demonstração da economia real de energia a partir de nova aquisição e substituição da injetora já existente (M. König; Banco de dados: Schoeller Allibert; Gráfico: Hanser)

resultados serão insatisfatórios. A definição do limite superior de 10% foi baseada na experiência obtida com tempos de ciclo inferiores a 100 s. Sob tempos de ciclo de 100 a 150 s também deve ser “incluída” no gráfico uma segunda linha-limite correspondente a 15%.

Para reduzir a demanda específica de energia elétrica devem ser examinadas, além das medidas que requerem investimentos, as opções organizacionais. O efeito é mensurável, como mostra uma série de testes feitos com injetoras com acumulador idênticas (figura 5). São apresentados os valores iniciais e os resultados favoráveis obtidos com as medidas citadas. Todas as máquinas tinham originalmente uma pressão de acumulação fixa de 195 bar, a qual permaneceu inalterada mesmo sob carga parcial. Para conter esta desvantagem típica de injetoras com sistema de acumulação, pode-se ajustar a pressão do acumulador por conta própria após um pequeno investimento.

No caso da injetora “A”, o sucesso obtido com as duas primeiras medidas foi insatisfatório. A eficiência energética ainda se encontrava no vermelho. Durante a implementação da segunda medida (etapa 2), notou-se que as bombas hidráulicas deram partida com frequência incomum para manter a pressão do acumulador dentro da faixa especificada. Um nível satisfatório de eficiência energética foi obtido após a eliminação da causa.

Vinte minutos valiosos

Os valores iniciais das máquinas “B” e “C” já estavam dentro do limite de 10%. O valor inicial da máquina “C” estava ainda abaixo da curva de referência. Na verdade, já se podia ficar satisfeito com o desempenho dessa máquina após o ajuste da pressão do acumulador (etapa 2). Entretanto, foi mostrado que os valores especificados para o ajuste da máquina não foram definidos de maneira ideal para a combinação de injetora e ferramental. Um bom resultado só foi obtido reajustando-se os parâmetros de configuração essenciais, o que levou 20 minutos. Os exemplos deixaram claro que, mesmo com valores iniciais dentro do limite de 10%, pode valer a pena olhar mais detalhadamente a demanda específica de energia elétrica. Isso é particularmente aconselhável nos casos em que o ciclo dura menos de 40 segundos.

 

Como parte do processo de aquisição é comum que os clientes perguntem aos fornecedores de injetoras qual a economia de energia que pode ser conseguida com a nova máquina que está sendo oferecida em comparação com o “valor real”. As respostas mais comuns estimam a economia em 40 ou até 50%. De onde vêm esses valores? Eles se referem ao caso ideal, ou seja, quando o cliente apenas menciona o consumo de energia efetivo de uma máquina comparável já existente e o fornecedor dá informações sobre a demanda de energia específica na capacidade nominal, ou seja, em 3D. Naturalmente será obtida alguma economia, da ordem de 40 a 50%, mas apenas sob condições especiais. Uma comparação numérica unidimensional (figura 1) pode levar a um prognóstico de economia que na verdade será utópico.

Comparação a partir da aquisição de equipamentos

A comparação entre os resultados aqui documentados (figura 6) se refere a máquinas com projeto idêntico e do mesmo fabricante. A comparação se beneficiou da coincidência do mesmo produto ter sido “injetado” em duas máquinas em paralelo, ambas usando ferramental da mesma geração. Os parâmetros de produção foram

Fig. 7 – Curvas de referência para a gama de pontos de trabalho normais de injetoras (M. König, E&P Management; Gráfico: Hanser)

ampla e mutuamente ajustados antes da medição, os quais são mostrados em uma tabela no gráfico. A comparação entre os resultados mostrou uma economia de 27%. A aplicação das curvas de referência ajuda a definir o objetivo da economia de energia elétrica que pode realmente ser obtida com a aquisição de novos equipamentos.

A experiência com o tratamento das três curvas de referência aqui apresentadas foi extremamente positiva. A diferença entre a demanda específica de eletricidade real e o valor de referência pertinente deixa claro o quão eficiente em termos de energia a máquina é e onde se encontra a meta alcançável de eficiência, enquanto se mantém a qualidade do produto e o tempo de ciclo necessários. As curvas de referência representam valores médios para uma ampla gama de projetos, forças de fechamento e tempos de ciclo, em particular para a mensuração da eficiência energética de máquinas fabricadas até 2015.

Curvas de referência constituem uma ajuda ideal

No caso de tempos de ciclo inferiores a 40 s, deve-se buscar uma demanda específica de potência abaixo do valor de referência. Se o tempo de ciclo for mais longo, mas não superior a 100 s, a demanda específica de energia não deve ser superior ao valor de referência de mais de 10%. Os resultados das medições (figuras 3 e 6) também mostraram que as curvas de carga parcial são obviamente mais planas quando as injetoras são equipadas com tecnologia moderna de medição, controle e regulação.

Caso as instruções de operação para as injetoras não incluam curvas de referência na forma de um diagrama parametrizado de tempos de ciclo ou informações de correção para tipos selecionados de resinas, as curvas de referência (figura 7) também podem servir como orientação para máquinas modernas. Para máquinas fabricadas até 2015, as curvas de referência fornecem uma base confiável para determinar a eficiência energética e estimar o potencial de economia real que pode ser esperado.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

A listagem das referências bibliográficas deste trabalho pode ser encontrada no seguinte endereço da Internet: www.kunststoffe.de/onlinearchiv.