INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO DE TEMPEATURAS EM UMA CARGA DE TIJOLOS NO INTERIOR DE UM FORNO TÚNEL

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 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 Florianópolis - SC - BRASIL. Vicente@emc.ufsc.br (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 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.

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 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.

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 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

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 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.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 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.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 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

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 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. Termo 1 Termo 2 Termo 4 Termo 5 Temperatura (ºC) Termo 6 Termo 8 Termo 10 Posição dos Termopares Posição (m) Figura 9 Gráfico das temperaturas da carga ao longo do forno túnel.

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 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.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 Dif. de Temp. Termopares 6 e 2 ( C) Posição (m) 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.

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 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,

11 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 11 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 préaquecimento. 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.

12 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 12 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 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 CIT , 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 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