A maioria das operações de aspersão térmica requer algum tipo de ventilação para a exaustão do excesso de compostos da área de aspersão térmica. Mesmo os processos de aspersão térmica projetados adequadamente tendem a ser ineficientes com relação à quantidade de material pulverizado que realmente atinge o alvo. 50% de eficiência de depósito é considerada boa.

Uma área de avanço é a tentativa de replicar os revestimentos mais complicados (e mais caros) dos processos de plasma e HVOF com sistemas de arco de arame mais econômicos. Os processos com arco geram partículas muito finas e geralmente leves que podem ser desafiadoras para remover adequadamente do fluxo de gás de exaustão. Existem sistemas de coleta de pó comprovados que podem tratar o pó de aspersão térmica. Infelizmente, a esmagadora maioria desses sistemas são operados com controles de gerenciamento de fluxo de ar relativamente rudimentares. Este artigo enfoca os ganhos operacionais e a economia de custos que podem ser obtidos com o uso de tecnologia mais inteligente para exaustão de aspersão térmica.

Projeto de sistema adequado

As grandes operações de aspersão térmica normalmente incluem uma câmara fechada onde ocorre a aplicação propriamente dita. Os compostos da aspersão não utilizados são então ventilados a partir da câmara enquanto o ar fresco é aspirado para dentro dele. Dependendo do projeto da câmara e da forma do alvo sendo pulverizado, pode-se determinar um volume de ar ideal para o controle adequado das partículas indesejáveis. Por exemplo, uma câmara pode precisar de 10.000 pés cúbicos por minuto (cfm) para um controle de pó adequado. Mais seria um desperdício, e menos seria insuficiente.

Tomando isso como ponto de partida, pode ser projetado um sistema adequado de coleta de pó. Normalmente, incluirá um duto para transportar o pó, um filtro para remover o pó do ar e um ventilador para fornecer a energia necessária para gerar o fluxo de ar. O exaustor para um sistema de 10.000 cfm pode exigir de 30 a 40 cavalos de potência. O requisito de fluxo de ar geralmente é fixo e não deve mudar, a menos que a câmara seja reprojetada. É amplamente aceito que uma velocidade de 3500 a 4000 fpm é ideal para transportar pó em um duto redondo. A movimentação mais lenta do ar permite que as partículas de pó caiam e se depositem no fundo do duto, criando um risco de incêndio e potencialmente bloqueando o duto. A movimentação mais rápida do ar desperdiça a energia dos ventiladores e cria desgaste desnecessário nos dutos. Para nosso exemplo, mover 10.000 pés cúbicos por minuto a uma velocidade de 3500 a 4000 pés por minuto requer a seleção de um duto redondo de 22" de diâmetro. Essa seleção tem uma área transversal de 2,6398 pés quadrados, resultando em uma velocidade de 3788 pés por minuto.

Ventiladores e pressão estática

Os ventiladores de ventilação industrial criam um vácuo parcial que puxa o ar através do sistema. Esse vácuo parcial é chamado de pressão estática, e geralmente é medido em “polegadas de coluna de água”. Os projetistas dos sistemas utilizam vários modelos matemáticos para estimar a pressão estática necessária para atingir o fluxo de ar desejado. Os fatores de um sistema que afetam a pressão estática necessária incluem entre outros:

• Tamanho e geometria da câmara de aspersão térmica
• número e o raio dos cotovelos (ou curvas) do duto
• comprimento total dos dutos do sistema
• diâmetro do duto utilizado e velocidade do ar
• seleção do coletor de pó
• itens pós-filtro (tais como filtro HEPA ou silenciador de exaustão)

Muitos desses fatores não mudam no decorrer da operação do sistema. Com exceção dos filtros do coletor de pó e dos filtros HEPA. À medida que o pó acumula nos filtros, a queda de pressão, ou resistência através dos filtros, aumenta. O sistema requer pressão estática adicional para superar o acúmulo de poeira na superfície dos filtros.

Os ventiladores são normalmente selecionados para garantir fluxo de ar adequado durante toda a vida útil dos filtros, incluindo pressão estática suficiente para mantê-lo mesmo quando os filtros atingem o fim de sua vida útil. Os filtros que se aproximam do fim de sua vida útil exibirão uma queda de pressão maior do que os filtros novos. Para prolongar a vida útil, os filtros de um coletor de pó de aspersão térmica são projetados para serem limpos na linha enquanto o sistema está em funcionamento. O acúmulo repetido de pó, seguido pelo ciclo de autolimpeza do coletor de pó, causa uma pequena flutuação na necessidade de pressão estática do sistema. Se isso não for resolvido, o sistema pode apresentar diminuições e aumentos no fluxo de ar, com problemas associados de deposição de poeira no duto e na câmara de aspersão térmica.

O excesso de fluxo de ar através da câmara de aspersão térmica pode afetar a qualidade do revestimento ao empurrar o material pulverizado para longe da peça-alvo. Para evitar esses problemas potenciais, o volume de ar precisa ser controlado. O dispositivo mais comum usado para controlar o ventilador é uma válvula de controle, que cria uma carga artificial no ventilador para ajustá-lo ao fluxo de ar desejado. Para manter o fluxo de ar, o damper teria que ser aberto ou fechado conforme necessário para manter a velocidade desejada no duto. Isso raramente é feito com a precisão necessária para manter continuamente o fluxo de ar prescrito que passa pelo sistema e, se fosse realizado manualmente, exigiria supervisão constante de uma pessoa qualificada. Isso seria caro e difícil, o que explica por que a maioria das operações de aspersão térmica optam por uma mentalidade de “configurar e esquecer” no que diz respeito ao controle do ventilador.

Acionamentos de frequência variável e sistemas de controle de fluxo de ar

Uma melhor maneira de controlar o ventilador e manter o fluxo de ar constante no sistema é com um acionamento de frequência variável (VFD). Um VFD opera o motor do ventilador a uma velocidade de rotação específica com base no ajuste da frequência em hertz. Enquanto a alimentação trifásica na América do Norte geralmente funciona na frequência de 60 Hz, um VFD permite que o operador selecione uma frequência específica, diminuindo ou acelerando a velocidade de rotação do ventilador. Em um sistema ideal, o sistema apenas funcionaria em velocidade máxima quando a carga de pressão estática dos filtros sujos exigisse. No restante do tempo, o ventilador estaria funcionando a uma velocidade mais baixa para gerar exatamente a quantidade de estática necessária. Esse método de operação oferece benefícios em economia de custos. Em comparação com operadores que utilizam a abordagem “configurar e esquecer”, operando seus sistemas de coleta de pó em velocidades mais altas do que o necessário para garantir a ventilação completa da câmara de aspersão térmica, a abordagem com VFD usa um sistema inteligente que opera exatamente na velocidade de fluxo de ar requerida, economizando energia.

Existem modelos matemáticos que podem ajudar a demonstrar isso, utilizando algumas suposições simples e algumas variáveis do sistema. Geralmente, uma atualização para VFD e sistema de controle de fluxo de ar pode se pagar em menos de dois anos e, mais importante ainda, o sistema de coleta de pó estará funcionando na velocidade certa. Isto pode evitar o desgaste do sistema, especialmente nos filtros de carga superficial de última geração, necessários para a aspersão térmica. Qualquer decisão de atualizar para um sistema de VFD e controle de fluxo de ar deve incluir as seguintes economias como fatores de economia:

• Custos do filtro
• Custos de mão-de-obra
• Custos de descarte
• Custos de estoque
• Custos de envio (para novos filtros e descarte de filtros antigos)
• Processos de qualidade
• Estabilidade operacional do sistema e da manutenção adequada do fluxo de ar no sistema

Controle do VFD

Uma vez determinada a utilização de um VFD, o próximo passo é determinar o método de fornecimento de entrada contínua. O objetivo é manter um fluxo de ar desejado, independentemente das flutuações na pressão estática do sistema. Utilizando um dispositivo de medição do fluxo de ar instalado no sistema de dutos, o controlador pode ajustar a velocidade do ventilador para corrigir as mudanças. Esses instrumentos são mais adequados para ambientes com ar limpo e, portanto, geralmente são instalados no duto em um ponto onde o ar já foi filtrado. Pode ser um duto na saída do ventilador, com o comprimento necessário para fornecer uma indicação uniforme e confiável do fluxo total de ar que passa pelo sistema.

Um método alternativo é medir a pressão estática do sistema, ao invés do fluxo de ar real, em um ponto do sistema de dutos pouco antes que o ar entre no coletor de pó. No fluxo de ar especificado, a quantidade de pressão estática necessária é função de fatores que devem permanecer inalterados enquanto o sistema não for alterado mecanicamente. Os filtros ficarão sujos e depois serão limpos por pulsagem, mas a pressão estática necessária na entrada do coletor de pó permanecerá a mesma se o sistema estiver operando com o fluxo de ar especificado. Um controlador que mantém essa pressão estática é a maneira mais simples de controlar um VFD em um sistema de coleta de pó. À medida que a resistência dos filtros aumenta, o fluxo de ar fornecido pelo ventilador diminui. Essa redução no fluxo de ar produz uma menor exigência de pressão estática no duto à montante do coletor, de modo que o controlador ordenará ao VFD que aumente a potência para manter a estática. Por outro lado, como os filtros são limpos por pulsagem, a resistência no sistema cai e o VFD diminuirá a potência para manter o mesmo nível de pressão estática. O resultado é um fluxo de ar uniforme com os benefícios e economias que lhe estão associados.

Considerações

Há situações em que o uso de um sistema de VFD com controle de fluxo de ar oferecerá benefícios limitados. Quando um único coletor de pó (e um único ventilador) é usado para operação intermitente de apenas uma ou duas células por vez em um sistema de múltiplas células de aspersão térmica, não há uma maneira simples de utilizar efetivamente a velocidade variável do ventilador. Essa é uma limitação do sistema de dutos — não uma limitação do VFD.

Conclusão

A tecnologia de aspersão térmica está evoluindo, e novas abordagens criam maiores desafios para componentes associados, como os sistemas de exaustão. Como alternativa, os avanços em subcomponentes podem ajudar a aprimorar as operações gerais de aspersão térmica, e praticamente todo sistema de coleta de pó existente pode se beneficiar do uso de um acionamento de frequência variável. Está se tornando cada vez mais evidente que o controle preciso do fluxo de ar é importante — e que a economia de energia pode ser um benefício adicional.

¹ Industrial Ventilation:  A Manual of Recommended Practice, 24th Edition, American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), pág. 3-18, Tabela 3-2.

² É muito semelhante a pressionar o pedal do acelerador de um carro. Quando é necessária mais velocidade, o motorista adiciona potência ao motor. Quando se deseja menos velocidade, a potência do motor é reduzida.