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INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO DE TEMPEATURAS EM UMA CARGA DE TIJOLOS NO INTERIOR DE UM FORNO TÚNEL
A P. Dadam(1), V.P. Nicolau(1), W.A. Lehmkuhl(1); T.G. Jahn(1); W.M. Kawaguti(1); R.S. de Lorenzi(1); L.S. da Fonseca(1)
LabCet – Depto. de Eng. Mecânica - Universidade Federal de Santa Catarina 88040-900 - Florianópolis - SC - BRASIL.
[email protected] (1) Engª Mecânica - labCET, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Resumo
Na análise do desempenho térmico de fornos cerâmicos, uma das maiores dificuldades presentes é a determinação experimental da distribuição de temperaturas no interior da carga. O maior desafio reside na instrumentação, uma vez que os sensores devem acompanhar a carga durante todo o trajeto no interior do forno que, não raro, alcança extensões superiores a 100m, com seus cabos de ligação submetidos a temperaturas superiores a 300ºC. Estes resultados são importantes para se identificar as condições a que estão submetidas as camadas mais internas da carga e, assim, determinar a melhor configuração para o empilhamento. O trabalho realizado permite o melhor entendimento do ciclo de queima empregado nas empresas e nos fornos cerâmicos tipo túnel, em geral. O tratamento matemático dos dados e seu entendimento, premitirá também gerar ferramentas de análise experimental que poderão ser úteis em diversas outras ocasiões. Palavras-chave: Medição de Temperatura, Forno Túnel, Cerâmica Vermelha. INTRODUÇÃO Dentro do contexto da racionalização do uso de energia a análise do
desempenho térmico de fornos cerâmicos tem relevante importância, já que este tipo
de indústria é um tradicional consumidor intensivo de energia térmica, ao redor de
1.700 kJ/kg (6). Assim, no estudo dos fornos túneis, (1) uma das maiores dificuldades
presentes é a determinação experimental da distribuição de temperaturas no interior
da carga. O maior desafio reside na instrumentação, uma vez que o ciclo é bastante
longo e os sensores devem acompanhar a carga durante todo o trajeto no interior do
forno que, não raro, alcança extensões superiores a 100m, com seus cabos de
ligação submetidos à temperaturas superiores a 300ºC.
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Estes resultados são importantes para se identificar as condições a que estão
submetidas as camadas mais internas da carga e, assim, determinar a melhor
configuração para o empilhamento. As propriedades finais dos produtos cerâmicos
dependem fortemente da temperatura a que foram submetidos durante a sua
queima e a identificação das temperaturas no interior do empilhamento pode revelar
a causa da obtenção ou não de certas propriedades.
Uma solução para os problemas supracitados seria o estabelecimento de uma
temperatura de trabalho no forno tão alta quanto necessária, para se conseguir as
propriedades desejadas em qualquer ponto da carga. Entretanto isso certamente
ocasionaria um superaquecimento da parte exterior do empilhamento, além do
inevitável aumento do consumo energético. A submissão de uma mesma peça a um
gradiente de temperatura pode gerar deformações na mesma, em razão de um
maior ou menor grau de retração do material. Em diferentes peças o efeito seria uma
não uniformidade dimensional, prejudicial à qualidade do produto, bem como, em
menor grau, uma absorção de água variável. Deste modo o maior desafio na
construção e na operação de um forno consiste na obtenção de uma região de
queima de grande uniformidade de temperatura, através da distribuição e da
regulagem criteriosa dos queimadores utilizados.
Assim, os dados referentes aos gradientes de temperatura no interior da
carga constituem-se importante fonte de informação para análise de desempenho
térmico do processo de queima e para a proposição de melhorias. Este artigo
apresenta os procedimentos utilizados, as dificuldades encontradas, bem como os
resultados obtidos.
CARACTERÍSTICAS DO FORNO
O forno túnel em que foi realizado o experimento pertence à Cerâmica Heinig,
localizada no município de Brusque-SC. O forno possui comprimento total de 90
metros, largura interna do túnel de 1,3 metros. Ao longo do comprimento do forno
pode-se identificar três zonas distintas: pré-aquecimento, queima e resfriamento;
sendo o combustível utilizado o gás natural, que é queimado em 10 queimadores
distribuídos em fornalhas ao longo da zona de queima – figura 1.
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Figura 1: Queimadores de gás natural distribuídos ao longo da zona de queima.
A carga é constituída por um empilhamento de tijolos de 2 metros de
comprimento, 1 metro de largura e 1,1 metro de altura dispostos sobre uma
vagoneta – figura 2. A produção atual do forno é de 640 toneladas/mês de tijolos
comuns de 6 furos, significando 24 vagonetas/dia.
Figura 2: Disposição das peças a serem queimadas no vagão.
MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL Para a medição da temperatura no interior da carga foram escolhidos
termopares do tipo K, de bitola 14AWG, com separadores do tipo miçanga feitos em
mulita, que se estendiam desde a posição a ser medida até uma posição abaixo da
plataforma do carro que serve de apoio à carga. Nesta última posição foram
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conectados, de forma individual, fios de cobre revestido de verniz isolante, de bitola
19AWG. Este fio é o mesmo tipo de fio utilizado para confecção de bobinas de
motores elétricos e de transformadores, e foi escolhido em função da grande
quantidade de fio necessária, por apresentar baixo custo, além de suportar
temperaturas na ordem de 300ºC, sem perder o isolamento. A figura 3 mostra como
foram instalados os termopares na carga, vista de frente.
Dado que um sensor do tipo termopar nos fornece um sinal referente à
diferença de temperatura existente entre a junta de medição e a extremidade oposta
(junta de referência), faz-se mister que se conheça uma destas temperaturas para a
determinação da outra. Quando o sinal do termopar é lido por um termômetro digital
a temperatura de referência normalmente é a temperatura do ambiente em que o
aparelho se encontra, sendo esta computada pelo instrumento para o fornecimento
do resultado. Quando ocorre de existir, entre o termômetro digital e a junta de
medição, a presença de um ponto onde ocorre mudança de material dos condutores
e, se neste ponto a temperatura for distinta daquela em que se encontra o
instrumento de leitura, então esta temperatura deve ser levada em conta nos
cálculos. Por isso foi instalado um termopar sob a base do carro que transporta a
carga, na região de junção dos fios de cobre com os termopares, para o
monitoramento desta temperatura.
Figura 3: Instalação dos termopares na carga e vagão.
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Os cabos utilizados foram esticados no pátio existente ao lado do forno e
cortados em 16 partes, de 120m aproximadamente. Dois cabos adicionais de cerca
de 65m foram preparados para serem utilizados em conjunto com o termopar
localizado na posição de junção dos cabos de cobre aos termopares.
A preparação dos cabos consistiu em formar os pares, identificá-los com
numeração apropriada nas duas extremidades e, nesses limites, remover o verniz
isolante. Com isso obteve-se 08 cabos duplos, reunidos por braçadeiras, para a
formação de um conjunto organizado que seria, em seguida, conectado de um lado
ao conjunto de termopares já instalados na carga, e, do outro, ao sistema de
aquisição de dados.
As Figuras 4 e 5 mostram esta etapa do trabalho de preparação do cabo de
cobre.
Figura 4: Confecção do cabo de cobre.
Figura 5: Identificação dos pares no cabo de cobre.
A Fig. 6 mostra o momento da junção do conjunto de cabos de cobre aos
termopares. O conjunto de cabos corre por entre os trilhos do forno, sempre abaixo
da base dos carros, ficando protegido das altas temperaturas da zona de queima,
devido ao fato de que os carros se movimentam dentro do forno perfeitamente
encostados uns aos outros, estabelecendo uma espécie de canal isolado,
permanecendo com temperaturas inferiores a 300ºC.
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Figura 6: Junção dos cabos aos termopares.
Figura 7: Amarração do conjunto de cabos ao eixo dos carros.
Para garantir que os cabos não engatassem nas rodas dos carros ao longo do
trajeto, o conjunto foi amarrado no centro do eixo traseiro de cada um dos carros, de
modo a manter os cabos paralelos aos trilhos – figura 7.
Por fim, os cabos de cobre foram ligados a conectores do sistema de
aquisição e as temperaturas em volta da carga passaram a ser monitoradas desde a
sessão de entrada do forno até retirada do carro da zona de resfriamento. Este
percurso levou em torno de 56h e necessitou o acompanhamento constante do
pessoal técnico para garantir o sucesso das medições (figura 8). Além da
necessidade de se amarrar o conjunto de cabos ao centro dos eixos dos carros que
entravam no forno em intervalos regulares, havia ainda o risco de uma queda de
fornecimento de energia elétrica, o que comprometeria o funcionamento do sistema
de aquisição.
Figura 8: Monitoramento das temperaturas com o sistema de aquisição
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O monitoramento da temperatura da junção do conjunto de cabos aos
termopares mereceu especial atenção. Dispunha-se de dois rolos de termopares
flexíveis do tipo K, cada um contendo 25m do produto. Como o forno tem cerca de
90m, foi necessário também lançar mão de um par de fios de cobre para cobrir a
distância restante.
Como já mencionado, a temperatura lida no sistema de aquisição sofre
influência da temperatura da junta cobre/termopar conforme esta, ao passar pelas
diversas partes do forno, sofre aquecimento e resfriamento.
RESULTADOS O monitoramento dos diversos termopares, durante as 56 h em que durou
ciclo de queima pelos cerca de 90 m de comprimento do forno, resultou em uma
enorme planilha de dados de temperaturas e das respectivas posições do forno para
cada um dos termopares.
Durante as medições, foram perdidos os sinais de 3 termopares do total inicial
de 10 que haviam sido colocados no experimento. Os outros 7 termopares, 4 na
carga, 2 na base da vagoneta e 1 de referência em baixo da vagoneta, funcionaram
normalmente.
Os dados das temperaturas obtidas para cada um desses termopares, ao
longo do forno, são mostrados no gráfico a seguir.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Posição (m)
Tem
pera
tura
(ºC
)
Termo 1 Termo 2 Termo 4 Termo 5
Termo 6 Termo 8 Termo 10
Posição dos Termopares
15
2 6
9 7
4 810
Figura 9 – Gráfico das temperaturas da carga ao longo do forno túnel.
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Pela Figura 9 nota-se, primeiramente, uma extensa zona inicial, de cerca de
37 m, em que as temperaturas se mantêm entre 30 ºC e 100 ºC. Este fato
demonstrou-se que o forno, nesta região, estava funcionando com problemas, pois
esta é a zona de pré-aquecimento, onde deveria haver um acréscimo
aproximadamente constante da temperatura da carga. Verificações posteriores no
forno, constataram a existência de entupimento nos canais que transportavam gases
quentes provenientes da zona de queima para a zona de pré-aquecimento. Porém
nos primeiros 15 m do forno estes canais ainda estavam funcionando. Como
resultado, tivemos um aumento de temperatura nos primeiros 10 ou 15 metros, com
posterior estabilização e um pequeno declínio ao final da zona.
Ao chegar na zona de queima, próximo aos 40 m, houve um aumento brusco
de temperatura na carga, principalmente nas partes mais extenas, o que demonstra
os termopares 1, 5 e 6. Essas temperaturas seguiram evoluindo, de uma forma um
pouco mais lenta, a partir dos 45 m até chegar ao patamar mais elevado que ocorreu
entre as posições 57 m e 67 m, com as temperaturas da parte mais externa da carga
mantendo-se entre 800 ºC e 850 ºC. O pico de 900 ºC ocorrido no termopar 1,
próximo a posição 65 m, pode ter sido ocasionado pela incidência mais próxima da
chama de um dos queimadores.
A parte mais interna da carga, termopar 2, apresenta sempre uma diferença
de temperatura com relação a parte externa. Comparando-se ao termopar 6, que
está na parte mais extena da carga e à mesma altura, este ∆T varia de 11 ºC a 70
ºC, na zona de pré-aquecimento e chega a cerca de 200 ºC na parte mais quente do
forno entre as posições 55 m e 68 m, como pode-se inferir do gráfico apresentado
na figura 10. A diferença de temperatura é ainda maior, na zona de queima, entre o
interior, termopar 2, e a parte superior da carga, termopar 1, chegando à ordem de
230 ºC.
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8
-60
-20
20
60
100
140
180
220
0 20 40 60 80Posição (m)
Dif.
de
Tem
p. T
erm
opar
es 6
e 2
(°C
)
Figura 10: Gráfico da diferença de temperatura entre o exterior (termopar 6) e
interior (termopar 2) da carga. Com base nestes últimos dados, pode-se verificar que há uma dificuldade de
penetração do calor ao interior da carga, o que já era esperado, porque os tijolos são
colocados sobre a vagoneta em uma disposição bastante compacta (figura 3). Esta
maneira de colocar os tijolos para queima faz parte de um sistema de produção
adotado pela empresa na busca de maior produtividade. Porém se faz necessário
mudar a forma de empilhamento da carga, facilitando a penetração dos gases
aquecidos e diminuindo assim os gradientes de temperatura.
Além disso, seria importante garantir que toda carga chegasse durante a
passagem pela zona de queima a 800 ºC, pois abaixo deste patamar os tijolos
produzidos possuem características estruturais inferiores, pois a queima foi
incompleta.
O forno possui, na zona de resfriamento, após 67 m, dois pontos de
resfriamento rápido, nos quais há entrada de ar externo, com o objetivo de recuperar
o calor sensível acumulado na carga para um secador existente ao lado do forno.
Isso também pode ser observado no gráfico pelo declínio acentuado das
temperaturas próximo às posições 68 m e 78 m, principalmente nas regiões mais
externas da carga.
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Outro fator que pode ser constatado é a temperatura bastante alta que
alcança a base da vagoneta, medida pelos termopares 4 e 8. A parte mais externa
da vagoneta chega a cerca de 500 ºC, próximo a posição 65 m, enquanto a parte
interna alcança 320ºC, aproximadamente. Esse fato é devido a que está havendo
contato da base da vagoneta com os gases quentes provinientes dos queimadores.
Na saída do forno, final da zona de resfriamento, nota-se pelo gráfico que a
parte interna da vagoneta ainda permanece com uma temperatura elevada, em torno
de 125ºC. A base da vagoneta é constituida de tijolos refratários e possui uma
massa total de cerca de 500 Kg. O ideal seria mantê-la a temperaturas mais baixas,
para se evitar perdas de energias residuais por acúmulo térmico nesta região.
Nota-se ainda, através das medições, que a região sob a vagoneta chega a
uma temperatura de cerca de 270 ºC, indicada pelo termopar 10. Isso mostra que o
isolamento entre a parte superior e inferior da vagoneta, constituído pela calha de
areia, não está funcionando adequadamente.
CONCLUSÃO O trabalho realizado na Cerâmica Heinig, permite o melhor entendimento do
ciclo de queima realizado na empresa em questão e de certo modo nos fornos
cerâmicos tipo túnel, em geral.
As medições realizadas na carga de tijolos em movimento através das
diversas partes do forno constituem-se uma atividade de pesquisa bastante rara,
pois normalmente ao se analisar um forno cerâmico, realizam-se medições no
ambiente do forno e não na própria carga, que está em constante movimento,
dificultando muito a análise térmica. No entanto pode-se considerar o estudo do
perfil térmico da carga como relevante, pois possui conseqüência direta sobre a
qualidade do produto a ser obtido.
Com os dados adquiridos nas medições, pode-se perceber que o processo
de queima em questão pode ser melhorado. É possível notar que a carga e portanto
a argila usada na fabricação dos tijolos, suporta taxas de aquecimento e de
resfriamento bastante altas. Assim, pode-se inferir que se poderia diminuir o
tamanho do forno, não havendo necessidade de uma zona de pré-aquecimento
grande como a atual. Um resultado direto disto, seria a diminuição significativa do
tempo de queima de 56 h, considerado muito extenso. Pode-se pensar ainda em um
aumento de produção, aumentando-se a velocidade de movimentação da carga,
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mantendo-se o mesmo tempo de residência do material em cada uma das zonas, a
partir de uma recuperação da zona de pré-aquecimento.
Percebe-se também a necessidade de mudar o modo pelo qual os tijolos são
dispostos sobre a vagoneta. A forma compacta da carga, bem como o tipo de
empacotamento em que não existe uma coincidência no direcionamento dos furos
dos tijolos, dificultam a passagem dos gases quentes pelo seu interior, diminuindo a
penetração do calor às partes internas da carga. Como resultado, uma parcela
importante do material não atinge a temperatura necessária para a queima, em torno
de 800ºC. Deve-se portanto, além da preocupação quanto ao direcionamento dos
furos dos tijolos, deve-se deixar na carga um maior número de espaços vazios, de
maneira a formar canais longitudinais que facilitem a circulação dos gases quentes.
Conclui-se, também, que o sistema de resfriamento rápido, implantado na
zona de resfriamento do forno está funcionando de forma satisfatória, ainda que seja
necessário melhorar a extração final do calor, para que a carga e a vagoneta deixem
o forno a temperaturas menores.
Finalmente, pode-se perceber a importância do experimento realizado,
mesmo com o forno funcionando com o entupimento nos canais da zona de pré-
aquecimento. Apesar da grande dificuldade de execução, pode-se concluir que o
trabalho permitiu uma melhor compreensão dos processos térmicos sofridos pela
carga no decorrer do ciclo de queima e representa uma ferramenta bastante útil para
a proposição de melhorias no projeto dos fornos túneis utilizados na indústria de
cerâmica vermelha.
AGRADECIMENTOS O trabalho descrito no presente artigo foi realizado com recursos do Projeto
Multicliente PMC 73, aprovado no âmbito da REDEGÁS – Rede de Excelência do
Gás Natural, envolvendo as empresas parceiras: Petrobrás S.A., Transportadora do
Gasoduto Bolívia-Brasil (TBG) e a Companhia de Gás de Santa Catarina (SCGÁS).
Os autores T.G. Jahn; W.M. Kawaguti; R.S. de Lorenzi; e L.S. da Fonseca
são bolsistas do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo
e Gás Natural- PRH09-ANP/MME/MCT.
Os autores agradecem ainda os proprietários e funcionários da Cerâmica
Heinig, Brusque-SC, onde os trabalhos de medições foram realizados.
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REFERÊNCIAS 1. G. M. Santos, Estudo do Comportamento de um Forno Túnel Aplicado à Indústria
de Cerâmica Vermelha. Dissertação de Mestrado - UFSC, 2001, 104 p. 2. Facincani, T, Tecnologia Ceramica: i Laterizi, Ed. Faenza, Itália, 2ª ed. 1992. 3. V. P. Nicolau e outros, Análise Numérica e Experimental de um Forno Túnel
Utilizado em Cerâmica Vermelha, Anais do IX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas, Caxambu, MG, Paper – CIT02 – 0533, 2002.
4. G. B. Remmey, Firing Ceramics, Advanced Series in Ceramics, vol. 2, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., New Jersey, EUA (1994), 225 p.
5. S. Güths, V. P. Nicolau, Apostila Instrumentação em Ciências Térmicas, Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas de Materiais (LMPT), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil (1997), 40 p.
6. H. Z. Abou_Ziyanm Convective heat transfer from different brick arrangements in tunnel kilns, Mechanical Power Engineering Department, Faculty of Engineering, Cairo, Egypt, (2003), Appleid Thermal Engineering 24 (2004) p 171 - 191
INSTRUMENTATION AND TEMPERATURE MEASUREMENT OF A BRICK LOAD
INSIDE A TUNNEL KILN
ABSTRACT
The analysis of the thermal efficiency of ceramics kilns, a big difficulty is the experimental determination of the temperature distribution inside the kiln load. The biggest challenge is the instrumentation, since the sensors should accompany the brick load across the kiln, which may reach a length greater than 100m, with their connection cables exposed to temperature greater than 300°C. These results are important to identify under what conditions are submitted the internal layer of the brick load, to determine which the best brick arrangements in cartload. This work permits a best understanding of firing cycles used in the tunnels kilns. The mathematical treatment and understanding of the data will permit to create experimental analysis tools, which should be useful in another problems. Key words: Temperature Measurement, Tunnel Kiln, Structural Clay Brick
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