Controle de Temperatura do Sistema de Refrigeração a água de uma Tocha Plasmática

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e da Computação Controle de Temperatura do Sistema de Refrigeração a água de uma Tocha Plasmática ICP Glauco George Cipriano Maniçoba Orientador: Prof. Dr. Sc. Andrés Ortiz Salazar Projeto de qualificação de tese submetido à Banca Examinadora do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica e da Computação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte(área de concentração: automação e Sistemas)com parte de requisito para obtenção do titulo de mestre em ciências. Natal, RN - Fevereiro de 2012

2 RESUMO O desenvolvimento da tecnologia a plasma na indústria eletrônica, aeroespacial, metalúrgica, biomédica e de tratamento de resíduos obteve resultados importantes graças à utilização de técnicas que utilizam o plasma. Aplicações com essa tecnologia têm se tornado cada vez mais importantes por reduzir, em muitos casos, a produção de resíduos e o consumo de energia em vários processos industriais. O plasma é um estado da matéria similar ao gás em quer certa porções das partículas são ionizadas. No estado de plasma, o gás atinge temperaturas extremamente elevadas. E nesse estado que um gás é aquecido provocando a dissociação das suas ligações moleculares, convertendo-o em seus átomos constituintes, além disso, esse aquecimento adicional pode levar à ionização (ganho ou perda de elétrons) dessas moléculas e dos átomos do gás, transformando-o em plasma com partículas carregadas. O plasma pode ser definido como de origem natural ou de laboratório. Neste último, uma tocha de plasma, dispositivo que transforma energia elétrica em energia térmica transportada por um gás, utilizada para a geração do plasma. Existe uma diversidade de tochas de plasma, entretanto o princípio de funcionamento delas é semelhante que é a convecção forçada de um gás através de uma coluna para que o gás seja ionizado formando um jato de plasma. No projeto será utilizada uma tocha de plasma com acoplamento indutivo (ICPT), por ter a vantagem de não possuir eletrodos metálicos internos sendo erodidos pelo jato de plasma, evitando uma possível contaminação, e também devido à possibilidade do reaproveitamento energético através da cogeração de energética. O propósito deste trabalho é o desenvolvimento de um controle de refrigeração para a parede e bobina da tocha, que será utilizada em uma planta de processamento de resíduos e efluentes petroquímicos. Um controle que garanta as condições físicas da tocha de plasma, mantendo a temperatura do líquido em um determinado nível que permita o arrefecimento sem comprometer, no entanto, o rendimento do sistema. Palavras chaves: Plasma, tocha de plasma, refrigeração, temperatura.

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 1.1. Histórico 1.2. Objetivos 1.3. Apresentação e Organização 2. Estado Da Arte 2.1. Plasma 2.2.Tocha de plasma 2.3. Classificação das tochas de plasma 2.4. Tecnologia de plasma para a inertização de lixo 3. Descrição da Planta de tratamento de lixo 3.1.Principais características 3.2. Princípio de funcionamento 4. Sistema de refrigeração da planta. 5. Proposta de dissertação 5.1. Tocha ICP do projeto 5.2. Modelagem do sistema térmico Transferência de calor Analise para o sistema de refrigeração 5.3. Estratégia de controle Dispositivo para o controle 6. Conclusão 7. Cronograma 8. Referências

4 1 INTRODUÇÃO 1.1 Histórico O primeiro a introduzir o termo plasma foi Langmuir em 1928, ao descrever um estado da matéria em uma coluna positiva de um tubo de descarga. Este estado é agora explorado em varias áreas industrial [31]. Em 1942, Babat descreveu as primeiras pesquisas sobre as propriedades de descargas capacitivas em gases produzidas sem eletrodos. Depois, em 1947, ele descreveu as descargas capacitivas sem eletrodos formadas por campos elétricos e as descargas produzidas pela ação de campos magnéticos alternados. [33] Na década de 60, surgiram às primeiras aplicações empregando tecnologias com plasma térmico produzido por meio de tochas de plasma, e essas tecnologias vêm cada vez mais crescendo tornado-se um dos processos eletro térmicos mais promissores, devido a séries aplicações possíveis e por ser uma tecnologia pouco poluente. Um sistema que utiliza a tecnologia com plasma proporciona um controle maior na temperatura, tempo de reação mais rápido, melhor controle de processamento, menores custos, maior processamento, e uso mais eficiente da energia se comparado com os métodos convencionais. [34] Em 1961, Reed descreveu uma tocha de quartzo constituída por três tubos concêntricos, a qual era introduzida em uma espiral de cobre, para formação de plasma em seu extremo. Para indução do campo eletromagnético que estimular o plasma, usou um gerador com freqüência de 4 MHz e potência de 10 kw. [33] 1.2 Objetivo São objetivos deste trabalho: Estudar os modos de transferência de calor aplicado aos materiais da tocha; Simular através de uma ferramenta computacional as transferências térmicas na tocha, onde essa ferramenta será o Comsol Multiphysics ; Implementar um controle PID através do CLP para o sistema de refrigeração da tocha utilizada, realizando um controle realimentado da temperatura da tocha.

5 1.3 Apresentação e organização Este trabalho é composto de cinco capítulos com a seguinte estrutura: No capítulo 2, é feito uma revisão bibliográfica, onde serão visto conceito como plasma, tocha de plasma e o tratamento de lixo usando essa tecnologia; No capítulo 3, é descrita a planta de inertização de lixo desenvolvida no projeto. Onde será mostrado seu funcionamento; No capítulo 4, é apresentado o sistema de refrigeração, que é o foco principal desse trabalho. Descrevendo o sistema de refrigeração aplicado na tocha do projeto; No capítulo 5, é apresentada a proposta da dissertação, onde foi feito uma modelagem térmica através do estudo dos meios de transferência de calor da tocha, e onde será proposto um tipo de controle para o sistema de refrigeração da tocha do projeto.

6 2 ESTADO DA ARTE 2.1 Plasma O plasma pode ser definido como um gás parcialmente ionizado onde co-existem elétrons livres e íons positivos em movimento, em um processo onde ocorre transferência de energia por radiação, condução e aquecimento Joule entre outros. [33]. Quan-do um gás é aquecido algumas de suas propriedades químicas e físicas são modificadas, tais como a temperatura e características elétricas, e essa modificações criam elétrons e íons entre os átomos do gás, formando o plasma. A presença desses portadores de cargas (elétrons e íons) torna o plasma eletricamente condutor, respondendo fortemente a campos eletro-magnético. Existem varias formas de produção do plasma, alguns dividem em duas categorias, plasma produzido naturalmente ou plasma produzido em laboratório. Entres o plasma natural podermos citar: corona solar, ionosfera, aurora boreal e os raios, com relação aos de laboratórios termos o plasma frio (lâmpadas fluorescentes e de arco voltaico), plasma físico relacionados a fusão termonuclear e o plasma térmico[32]. O plasma térmico pode ser gerado fornecendo uma quantidade de energia elétrica ou térmica a certa quantidade de gás, tendo como mecanismo básico o aquecimento e a ionização do gás, causando a liberação dos elétrons dos átomos ou moléculas [30] 2.2. Tochas de plasma A tocha de plasma é um dispositivo no qual um gás fluído passa através de um arco elétrico convertendo energia elétrica em térmica, produzindo o plasma. As tochas de plasma variam largamente em projeto e utilização, esse dispositivo tem sido utilizadas para gestão de lixo, para corte de metais, aplicações para ignição de motores de combustão interno e entre outros. Também, as tochas de plasma variam muito em potência, dependendo de suas aplicações e design (para que foram projetada), as tochas operam com um consumo de energia de algumas centenas de Walts a algumas centenas de kilowalts. O projeto de uma tocha é tão diverso quanto às aplicações que são utilizados. - Característica de uma tocha de plasma: Alta temperatura do arco ( K);

7 Alta eficiência de conversão de energia elétrica em térmica (pode chegar ate 95%); Alta entalpia do fluxo de plasma; Alta densidade de Potência; Alta condutividade térmica do fluxo de plasma; Utilização de qualquer gás: oxidante, neutros ou redutores Classificação da tocha de plasma A classificação das tochas baseada em plasma pode ser feita de acordo como o plasma é produzido. Existe uma diversidade de tochas de plasma, nesse trabalho são discutidas as principais: Tocha de arco não transferido, tocha de arco transferido e a tocha com acoplamento indutivo (RF). - Tocha de arco não transferido: Opera com catodo de tungstênio e anodo de cobre resfriado a água. O gás entra no corpo da tocha através de um turbo, percorre até a extremidade do catodo e vai para fora através do canal do anodo, enquanto isso passando pelo arco gerando o plasma. Esse tipo de tocha é usado para aquecimento de gases e decomposição de materiais. O arco é produzido no interior do dispositivo que contem os eletrodos e do qual sai o gás aquecido. Pode utilizar corrente contínua ou alternada.operam com tensões elevadas e grandes vazões de gás. Figura 1. Representação de uma tocha de arco não transferido

8 Tabela 1. Parâmetros de uma tocha de arco não transferido Tensão < 6.000V Correntes típicas Consumo de gás <2.000A Alto Eficiência 80% Nível de potência Tipo de gás < 30MW Reativo -Tocha de arco Transferido: Nesse tipo de tocha usar-se o catodo como eletrodo emissor, estando o receptor do arco localizado fora da tocha (na peça), pode usar a uma distância de alguns centímetros, geralmente uns 30 a 40 centímetros do eletrodo emissor, onde o canal não tem papel de eletrodo. O gás é injetado na região anular entre o catodo e uma abertura auxiliar que normalmente é mantida em um potencial flutuante. São usadas para corte e fusão de materiais. Operam com correntes elétricas elevadas e baixa vazão de gás.

9 Figura 2. Representação de uma tocha de arco transferido Tabela 2. Parâmetros de uma tocha de arco transferido Correntes típicas < A Consumo de gás Baixo Eficiência 95% Nível de potência Tipo de gás 40MW Inerte -Tocha com acoplamento indutivo (RF): Essa tocha é formado por uma bobina de indução de cobre geralmente com 3 a 8 voltas resfriado a água, que cerca tubos de confinamento de plasma formado por uma parede de quartzo ou cerâmica podendo ser resfriado tanto a água ou a gás.esses turbo possuem entradas independentes, na entrada mais externa entrará um gás tangencial, esse gás serve como isolante térmico dos tubos de e permite a centralização do

10 plasma ; no tubo mais interno vai passar o gás que ser ionizado.na tocha de plasma com acoplamento indutivo, sua operação é iniciada por uma descarga de alta tensão e mantida por energia de Radio Freqüência (RF) aplicada por uma bobina que envolve os tubos. Figura 3. Esquema de uma tocha com acoplamento indutivo Tabela 3. Dados construtivos da tocha indutiva Potência de entrada Freqüência RF Tipo de gases Eficiência 15 a 100 kw 2.85 MHz Oxigênio, Argônio, Ar e Nitrogênio. 60%. Podendo chegar a 80% 2.3. Tecnologia de plasma para inertização de lixo. A tecnologia de plasma no tratamento do lixo tóxico é muito superior as outras por não ser poluente e não têm tecnologia que possa competir ate esse momento, e por ser uma tecnologia que pode ser instalado em qualquer lugar do mundo. Os custos dos sistemas com tecnologia de plasma em comparação com aos sistemas convencionais são mais barato [35]. Algumas empresas que trabalhe com essa tecnologia para o tratamento de lixo tóxico:

11 - Yoshii, Utashinai, and Mihama-Mikata, Japão (Hitachi Metals Ltd.), atualmente tem três plantas funcionando no Japão, com um promedio adquisição de lixo em 166 toneladas (151,000 kg) por dia, utilizando arco de plasma [36]. - Faringdon, Oxfordshire, Inglaterra (Advanced Plasma Power), Tem construído uma instalação Gasplasma o qual utiliza como máteria prima combustivél derivado do lixo para produzir hidrogênio [37]. - PLASMA Environmental Technologies Inc., Fornece sistemas baseados em plasma e serviços para a destruição limpo e rentável dos resíduos perigosos e não perigosos [38]. - Grupo KOMPAC - Brasil tem experiência em equipamentos de destruição térmica e geração de energia segundo os mais avançados conceitos e tecnologias [39]. - PLASCON R Brasil, Utiliza tecnologia de arco de plasma, incinerando até três toneladas por dia, eficiência de destruição é 99%, as emissões à atmosfera são consideravelmente inferiores aos padrões internacionais, e não gera resíduos tóxicos, sendo um fornecedor mundial em processos utilizando plasma térmico [40]. Apesar de não ter encontrado empresas que trabalhem com plasma indutivo, foi constatado a existência de pesquisa com ela, na eliminação de diferentes tipos de resíduos, como é feito na universidade Degli Studi di Bologna, na Itália, onde é explicado o processado a eliminação de lixo plástico, utilizando ICPT [41]. Um dos motivos pelo qual não existam muitas empresas trabalhando com plasma indutivo na área de tratamento de lixo seria o processo de geração de plasma indutivo, sendo complexo e pouco explorado para esta aplicação especifica, tendo sido usados métodos de geração a plasma, de estrutura e construção mais simples. O interesse específico ligado ao desenvolvimento deste tipo de tecnologia se prende ao fato que esta poderá se desenvolver vantajosamente, no futuro, ao processamento e à geração de gases de síntese, associados a esquemas de cogeração elétrica. [41]

12 3. DESCRIÇÃO DA PLANTA DE TRATAMENTO DE LIXO 3.1 Principais Características A planta de inertização desenvolvida apresenta uma série de requisitos os quais foram inicialmente obtidos através de estudos primários para poder operá-la dentro de uma faixa, e de acordo com o resíduo a ser tratado. O sistema foi inicialmente dimensionado para o processamento integral de 250kg de resíduos plásticos ou de 750kg de efluentes petroquímicos, com poder calorífico em torno de 30kJ/kg e 10kJ/kg, respectivamente, o que equivale a uma potência requisitada da fonte RF de cerca de 50kW. A meta inicial de tratamento foi fixada em dez horas diárias, [42]. Devido aos altos custos de processamento, acondicionamento e descarte decorrentes dessas novas exigências, os resíduos passaram, então, a receber um novo enfoque, podendo ser reciclados ou ainda, dissociados para produzir energia térmica e/ou elétrica, em esquema de co-geração, mas nesta primeira etapa do trabalho não está previsto o reaproveitamento energético associado aos gases produzidos, que futuramente irão alimentar um grupo motorgerador [43]. 3.2 Princípio de Funcionamento A planta esta subdividida, como mostra na figura abaixo: Fig 4. Descrição da planta de inertização de lixo tóxico.

13 1. A fonte de alimentação RF, o qual fornecerá potência elétrica necessária para o processo de geração do plasma. 2. Um reator (Alimentador) de entrada de lixo toxico, por onde depositaremos os resíduos a serem inertizados. Contendo um sistema de portas corta-fogo pneumáticas que permitirão que os resíduos caiam no reator principal, sem ter perda de energia térmica para o ambiente. 3. Um reator (principal) que proverá abrigo para as condições necessárias a inertização, e equipado com uma porta corta-fogo pneumático que liberará o material resultante da inertização da parte inorgânica dos resíduos em um depósito apropriado. 4. Uma tocha a plasma indutiva RF; 5. Um compressor de ar que fornecerá o gás para a formação do plasma. 6. Um sistema de ignição responsável pela inicialização do plasma. 7. Sistema de resfriamento da tocha a plasma, o qual este formado por água e gás. 8. Um reator secundário onde existirá um queimador capaz de incinerar os gases resultantes do processo no reator principal. Essa incineração se dará simplesmente pelo contato dos gases com oxigênio. 9. Um sistema de lavagem de gases composto de um chuveirinho e um circuito de resfriamento de água que evitará que partículas venham a ser expelidas para a atmosfera. 10. Um exaustor que direcionará os gases para a chaminé e evitará uma eventual contaminação do ambiente. O funcionamento ideal da planta será dado da seguinte maneira: - Inicialmente o sistema deverá ser preparado e revisado para atingir o objetivo de incineração sem problemas, para isso, será implementado um sistema de monitoramento individual para cada parte do processo, que será dividido em: Reator principal, sistema da fonte de radio freqüência, sistema de resfriamento, sistema queimador (reator secundário), Sistema de lavagem. [44]. - Definir o tipo de lixo que será incinerado, sendo um requisito indispensável, para definir o Set Point de temperatura, no controle do processo, já que dependendo do tipo de resíduo incinerado, a temperatura desejada mudará. - Em seguida é acionado o sistema de resfriamento da tocha e a fonte de radio frequência, esta última composta pelos conversores CA/CC e CC/CA, que irão fornecer a energia externa necessária ao funcionamento da tocha a plasma, com a aplicação de uma potencia de 50kW e freqüência de 400kHz.

14 - Com as condições iniciais devidamente preparadas, para que seja criado o plasma no reator principal será necessário o acionamento do sistema de ignição que deverá ser uma vela utilizada em motores de caminhão, acionada por um circuito dedicado. - O seguinte passo, seria atingir as condições de temperatura interna do reator principal, monitorado por um termopar e devidamente definidas no inicio do processo. - Uma vez atingido o Set Point desejado, será introduzido o material a ser processadas no alimentador onde existirão duas portas corta-fogo pneumáticas que impedirão que o calor da tocha a plasma se dissipe pelo ambiente, desperdiçando energia, e permitindo a gradual alimentação dos resíduos. - Continuando com o processo, será acionado o sistema de queima e lavagem de gases, simultaneamente, os quais não permitirão a saída de gases impuros ao meio ambiente. - Uma porta corta-fogo, a qual esta localizada na parte inferior do reator principal permitirá que os resíduos resultantes desse primeiro estágio, ou seja, a escória inertizada e vitrificada de materiais inorgânicos, seja disposta em um recipiente apropriado para o seu reaproveitamento. - A parte orgânica, por sua vez, irá se transformar em gases que serão sugados em direção ao reator secundário, em virtude da pressão negativa produzida pelo sistema de exaustão. Esses gases serão queimados na presença de oxigênio no reator secundário e seguirão em direção ao lavador de gases para que as impurezas sejam depositadas na água que cairá de um chuveirinho. Com isso, espera-se que o nível de contaminação dos gases esteja dentro dos padrões exigidos pelas normas vigentes, podendo, dessa maneira, serem liberados para a atmosfera. Com esse processo, estima-se em aproximadamente 95% de redução do material inertizado, além da eliminação de diversos componentes ofensivos ao meio ambiente.

15 4.0. SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DA TOCHA DO PROJETO O sistema de refrigeração da tocha é formado por dois subsistemas. O primeiro é responsável pelo resfriamento da bobina da tocha ICP, e usa água para seu resfriamento, no caso água deionizada por proporcionar uma menor degradação em relação a água comum; o segundo esta formada por uma válvula de controle e medição de vazão térmica, é responsável pela isolação da tocha e usa gás para seu resfriamento. Esses subsistemas por refrigerarem com diferentes fluidos serão chamados respectivamente de subsistema de refrigeração a água e subsistema de refrigeração a gás. O subsistema de refrigeração a água é formado basicamente por um radiador, um inversor ligado junto com uma bomba e sensores de pressão e temperatura. Nesse subsistema o inversor exercer o controle da vazão da água no sistema através de uma bomba trifásica que vai auxiliar o deslocamento da água no sistema e essa bomba será monitorado por um sensor de pressão. Para resfriar a água usar-se um radiador que serve como um trocador de calor, ou seja, quando a água quente passar pelos aletas do radiador sofre um resfriamento devido à circulação de ar através de um ventilador, para o acionamento deste ventilador usar-se um termostato. Também vai ser usados sensores, um de pressão para o monitoramente da pressão da bomba, e um sensor de temperatura esse vai informa as condições da temperatura da água quente, o sensor de temperatura usado é do tipo NTC. Figura 5. Sistema de refrigeração a água.

16 O subsistema de refrigeração a gás vai ser responsável pelo resfriamento do turbo de quartzo e do bocal da tocha ICP, que vai enviar um gás refrigerante de forma tangencial através da válvula de controle, de modo que esse gás vai formar o chamado efeito vórtice que é um escoamento giratório, que surge devido à diferença de pressão das regiões do turbo. Quando isso ocorre o gás tende a equilibrar o sistema, e esse efeito que vai proteger o tubo de quartzo do fortíssimo calor provocado pelo jato de plasma. A válvula de controle baseia-se nas características da dispersão do calor do gás para a medição direta da vazão mássica, permitindo que variações de pressão ou temperatura de processo não interfiram na medição e sejam automaticamente compensadas, sem a necessidade de medidores adicionais ou computadores de vazão. Os controladores de vazão possuem uma válvula para controle proporcional da vazão, permitindo que o equipamento seja capaz de medir e controlar em malha fechada a vazão de processo. Figura 6. Sistema de refrigeração a gás - Controlador de fluxo Mássico

17 5 PROPOSTA DE DISSERTAÇÃO Como foi visto a planta abrange assuntos em diversas áreas da física, química, mecânica, elétrica, e automação, então foi dividido áreas de atuação em diferentes trabalhos. Neste trabalho, vai ser abordada ao sistema de refrigeração a água da tocha ICP. Por isto, será estudada a tocha de plasma indutiva, as possíveis transferências de calor dos materiais resfriado a água, análise do sistema de refrigeração e por fim, estabelecer um controle da vazão da água que vai resfriar a tocha. Serão usadas simulações para embasar os resultados. 5.1.Tocha RF indutiva a plasma térmico Para esse projeto foi feito a opção de uma tocha ICP para gerar o plasma térmico, apesar de que outras tocha de estrutura e construção mais simples, como as tochas de arco não transferido, poderiam ser utilizados para a aplicação proposta. Mas por esta tocha possuem as vantagens de não possuir eletrodos metálicos que possam ser erodidos no jato de plasma contaminando a mesma e também pelo processo de cogeração elétrica. O ponto de partida do projeto consiste, então, em descrever a tocha escolhida no projeto. De maneira simples, a tocha de plasma indutiva é um tubo de quartzo com diâmetro de 75 mm, com aberturas para a entrada e saída do abastecimento dos gases e da água para o resfriamento. Uma bobina de cobre RF de sete espiras rodeada no centro do tubo e serve para transferir energia para a produção do plasma. Para geração do plasma o gás escolhido foi o argônio. As escolhas do tipo de gás e das vazões podem modificar a forma do plasma, seu tamanho e a nitidez do contorno. Quando se emprega Argônio, obtém-se um plasma comprido e semidifuso; ao utilizar Nitrogênio o plasma é menor e com margens bem definidas. O Nitrogênio tem que ser dissociado para depois ionizar-se, o que requer aproximadamente 1000 Kcal/mol, enquanto o Argônio requer menos que 500 Kcal/mol. Esta diferença energética dificulta a formação do plasma, pelo que, em geral, o gás utilizado pelos equipamentos comerciais é o Argônio. [33]. O dimensionamento da tocha foi obtido para que se conseguir um melhor rendimento dentro das condições de operação especificadas, para que a freqüência de excitação aplicada ao campo magnético seja menor que a freqüência eletrônica do plasma, nesse caso não existe esse problema para essa tocha, pois a freqüência de operação de 450kHz é inferior a freqüência eletrônica do plasma.

18 Figura 6. Tocha ICP do projeto 5.2.Modelagem do Sistema Térmico Transferência de calor nos Materiais da Tocha. Talvez o aspecto mais difícil quando tem que lidar para projetar uma tocha a plasma é a transferência de calor. A transferência de calor em uma tocha é a soma liquida da radiação, convecção, condução e aquecimento ôhmico. Assim dependendo da geometria da tocha e o caminho dos elétrons cada uma tem seu modo de transferência de calor. Para transformar um gás em plasma, é necessário fornecer energia para produzir íons. O mecanismo de ionização pode ser térmico, por radiação ou por descarga elétrica. Este trabalho consiste em descrever os modos de transferência de calor de uma tocha ICP, que é a aplicado no processo, onde esta, consiste de uma descarga sem eletrodos, em um gás ( no caso argônio) à pressão atmosférica, a qual é mantida pela energia fornecida por uma fonte de radio-freqüência de 400kHz que induz um campo magnético oscilante em uma bobina de cobre que vai ionizar um gás que vai passar por um turbo de quartzo, produzindo e sustentando o plasma.

19 A) Transferência de calor na Bobina A bobina da tocha funciona como uma solenóide, ela é feita de cobre, e sua refrigeração vai ser através de água. A bobina é utilizada para obter uma área de transferência de calor ampla por unidade de volume e para aumentar o coeficiente de transferência de calor na superfície interna dela onde vai passar o liquido para seu resfriamento. Para o caso de uma bobina, devido o efeito da força centrifuga, é estabelecido um padrão de escoamento consistente na no enrolamento da bobina perpendicular a direção do escoamento axial, e o transporte de calor ocorre por difusão na direção radial, mas também por convecção. E a parcela desse transporte de calor convectivo aumenta a taxa de calor por unidade de comprimento de tubo quando comparado a tubos retos[45]. Primeiramente termos que calcular o coeficiente de transferência de calor da bobina: Onde, h =0.023U. x D. x k µ ρ. (5.1) h : coeficiente médio de transferência de calor por convecção (W/m 2 K); : coeficiente global de transferência de calor (W/m 2 K); : diâmetro interno do tubo da bobina (m); : condutividade térmica do tubo (W/m K); : viscosidade absoluta do fluido ( N s/ m 2 ); : densidade especifica do fluido ( kg / m 2 ). Depois que acharmos o coeficiente de transferência de calor, podermos calcular a taxa de calor por convecção na bobina: ( ) (5.2) Onde, : taxa de fluxo de calor por convecção (W); h : coeficiente médio de transferência de calor por convecção (W/m 2 K); : área da bobina (m 2 ) : temperatura da bobina (K); : temperatura do fluido (K).

20 B) Transferência de calor nos tubos e bocal da tocha. A tocha como foi mencionado anteriormente possuir turbo de quartzo e um bocal de cobre e um tubo de teflon, essa são as partes da tocha de plasma que recebem o impacto térmico excessivo. O fluxo de gás frio passa pela parede de quartzo que é ionizado através da bobina e é formado o jato de plasma. Se o jato de plasma é desalinhado em vez de fluir através do centro do bocal, pode fluir diretamente na superfície do tubo, para resolver isso, geralmente as tochas ICP aplicam um gás tangencialmente de forma a produzir o chamado efeito vórtice que centralizar o plasma e funcionar como um isolante térmico do turbo de quartzo, proporcionando um efeito de resfriamento. Neste trabalho será analisado a transferência de calor do bocal de cobre e no tubo de tleflon da tocha ICP. Para o análise do bocal é requerido saber o coeficiente de transferência de calor entre a parede do bocal e o turbo de teflon e o escoamento do fluido no interior. Então podermos verificar a distribuição da água no tubo de quartzo e no bocal de cobre. Figura 7. Corte transversal da distribuição da água pela tocha. Primeiro sera feito o análise dos meios de transferências de calor do gás para a água de refrigeração que vai passar pelas paredes de quatzo.

21 Figura 8. Transferência de calor dos tubos: (a) sistema físico;(b) Secção transversal simplificada do sistema físico; ( c)circuito térmico. = + (5.3) : taxa de fluxo de calor por convecção (W); : taxa de calor por radiação (W); Na prática,freqüentemente, apenas a temperatura do gás aquecido e do líquido de resfriamento são conhecidos,então podermos eliminar as temperaturas intermediárias, e levamos em consideração as resistências das três seções conectadas em serie. = + + Onde, 1, 2, 3 : Temperatura do gás aquecido; : Temperatura da água de refrigeração : Resistência térmica das seções. Para o bocal a taxa de transferência de calor vai ser por convecção, no bocal de cobre a taxa de calor vai ser de acordo com a formula a seguir: = =h ( ) Onde, : taxa de fluxo de calor por convecção (W);

22 h : coeficiente médio de transferência de calor por convecção (W/m 2 K); : área da bobina (m 2 ) : temperatura da bocal de cobre (K); : temperatura do fluido (K). Como foi visto a tocha ICP, possuir diferentes taxa de fluxo de calor nos materiais então é preciso o projeto possuir um sistema de refrigeração independente à água para cada, e esse sistema que vai garantir as condições físicas necessária para a manutenção da tocha. O sistema é composto por um radiador, um inversor e sensores. Os elementos da tocha que vão ser refrigerados a água serão a bobina de cobre e o bocal também de cobre. Para se ter idéia desse fluxo de calor aplicado nos materiais da tocha vai ser desenvolvida neste trabalho uma simulação utilizando o software de simulação Comsol Multiphisics, para se ter idéia dos pontos de concentração de taxa de calor dos materiais da tocha e da um grau de confiança aos cálculos Estratégia de controle O sistema apresenta uma malha de controle, que vai exercer o controle da vazão da água através da variação da temperatura da tocha ICP. Como vai ser precisar analisar somente os valores extremos pode ser aplicado um controle simples. À idéia é manter a temperatura da tocha ICP em um valor determinado que não afete seu rendimento. Para esse trabalho, pensou em empregar um PID por ser uma técnica de controle clássica que se aplicar a sistema com uma entrada e uma saída, e também por ser uma ferramenta simples de ajustar e ter no mercado varias ferramentas que possibilita sua implementação de maneira fácil e prática, e ser um controle com boa estabilidade e baixo erro de offset. Como todo o controle da planta vai ser através de um CLP para sua implementação, nesse trabalho vai fazer uso do mesmo por já existir um controle PID pronto pra ser usado. Abaixo é apresentado o esquema a comunicação do CLP com o sistema de resfriamento. Note a entrada de uma variável Q, que vai ser a variação do fluxo de calor dos materiais da tocha.

23 Figura 9. Sistema de supervisão e controle Dispositivos para o Controle. O controle proposto para o sistema de refrigeração a água será representado por um controlador lógico programável (CLP) com um modulo de entrada e outro de saída analógico, sensores NTC para medirem as temperaturas da água e um inversor para o controle da vazão da água. Abaixo será descritos os dispositivos e equipamentos que compõem o sistema de controle. A) CLP (Controle Lógico Programável) Os CLP s são microcomputadores de alta robustez desenvolvidos especialmente para controle de processos industriais. Possuem memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas controlando vários tipos de dispositivos. Além de proporcionar flexibilidade e rapidez na modificação e ajuste de malhas de controle, sua capacidade de processamento lhe confere grande versatilidade. As vantagens vão desde melhorar a operacionabilidade através de IHM (Interface Homem Máquina) ou terminais com um Supervisório a permitir acionamento remoto e a registrar eventos ocorridos

24 no processo produtivo numa base de dados para futuras análises. Para este trabalho será utilizado o CLP OS mm1 da empresa Moller e que por sua vez seu software de programação é o Sucosoft S40 e obedecem as normas IEC O algoritmo será elaborado em LADDER baseado na equação do PID analógico e obtido pela análise e discretização da equação do PID no contínuo realizadas neste trabalho.abaixo O CLP usado no projeto, onde foi feito uma gaveta de controle, para a distribuição da entradas e saídas analógicas/ digitais que será distribuída por toda a planta. Figura 9. Gaveta do CLP B) Sensor NTC (Negative Temperature Coeficiente- Coeficiente de Temperatura Negativo) São sensores de temperatura fabricados de materiais semicondutores que varia inversamente sua resistência elétrica com o aumento da temperatura. Esse sensor é mais sensível a variações de temperatura que os outros sensores de resistência elétrica variável. Por serem sensores muito sensíveis a temperatura faz com que se comportem de forma não linear. Sua resistência decresce exponencialmente com o aumento da temperatura, de acordo com equação abaixo: = exp ( ( ) (5.5) : Resistência do sensor NTC na temperatura T

25 : Resistência do sensor NTC na temperatura T 0 : constante do material ( K) Como o NTC não possuir um comportamento linear foi necessário um circuito para ajustar a curva exponencial para aproximação linear, para a linearização e aproveitando para converter para um sinal analógico que o CLP. Para essa linearização, uma maneira simples é utilizar um resistor fixo acoplado paralelamente ao NTC, para encontrar o valor desse resistor pode ser achado usando a equação de Steinhart-Hart [36], para equação abaixo vamos usar os dados do sensor utilizado no projeto: ln( )= + ln ( ) E, = Para controle da temperatura foi usado um sensor NTC de referencia 2009 da Igauaçu, com as seguintes especificações: Faixa de operação: Ω; Constante do Material (β) adotado: ; resisitor para linearização: 330Ω; abaixo será mostrado o sensor NTC tipo 2009, o gráfico do sensor,e depois o gráfico linearizado. Figura 10. Sensor NTC tipo 2009

26 Figura 11. Curva do sensor NTC (esquerda) e curva do sensor linearizada com o sensor de 330Ω (direita) Para esse sensor NTC foi necessário confeccionar uma placa para converter o sinal do sensor NTC ( Ω) em um analógico (0 á 10 volts) para o CLP possam interpretar. O circuito da placa é apresentado abaixo: Figura 12. Circuito de interfaçamento do Sensor CLP.

27 C) Inversor de Freqüência Um equipamento dinâmico e versátil, capaz de produzir uma tensão e freqüência trifásica ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico. O inversor é constituído por quarto blocos, assim dividido: 1º bloco CPU (unidade central de processamento) A CPU de um inversor de freqüência é constituída por um microprocessador ou por um micro controlador. É nesse bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, também uma memória está integrada a esse conjunto. A CPU além de armazenar os dados e parâmetros relativos aos equipamentos, também executa a função mais essencial para o funcionamento do inversor, que é a geração dos pulsos de disparo, isso através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT s. 2º Bloco IHM (interface Homem máquina). O IHM é através desse dispositivo que pode ser visualizar através de um display o que está ocorrendo no inversor, e definir os parâmetros de acordo com a aplicação. Podermos visualizar a tensão, corrente, freqüência, sentido do giro, se o modo de operação é remoto ou local, variação da velocidade, se o inversor esta ligado ou desligado, entre outros. 3º Bloco interfaces Nesse bloco que se encontrar o sinal analógico ou digital que comandar o inversor de freqüência. Com um parâmetro de programação poder ser definido a entrada analógica ou digital. 4º Bloco- Etapa de Potência Esse bloco é formado por um circuito retificador, que alimenta o circuito de saída inversor através de um barramento DC.

28 Figura 13. Blocos componentes do inversor Para esse trabalho vai ser utilizado o inversor de freqüência para motores assíncronos da Schneider Electric de modelo ATV 11HU18M2A. Figura 14. Inversor de freqüência

29 6. CONCLUSÃO O controle implementado no sistema de refrigeração vai permitir um melhor resfriamento da tocha. Um controle que dependendo da temperatura da água de resfriamento vai enviar um sinal para o inversor controlar a vazão da água que atravessará a bobina, e os bocais e a paredes fazendo que essa água possa ser resfriado e levado a temperatura desejada o mais rápido possível para não prejudicar o rendimento e a estrutura da tocha. O levantamento da taxa de fluxo de calor também foi um ponto importante neste trabalho, para se ter noção da quantidade de calor que atravessa as superfícies da tocha. E para se ter noção de quanto de quantidade de calor vai ser aplicado além das fórmulas matemáticas vai ser feito simulações dessa taxa de calor aplicado na tocha. Com a implementação de um processo automatizado com o sistema de refrigeração teremos um controlador eficiente, com monitoramente e a obtenção das temperaturas da água que vai atravessar a tocha. E esse controle vai ser utilizado para controlar a vazão da bomba que vai fazer circular a água na tocha.

30 7. CRONOGRAMA DE ATIVIDADES O cronograma de atividades elaborado com o intuito de cumprir as atividades é mostrado abaixo: Atividades SET- OUT NOV- DEZ JAN- FEV MARC- ABR JUN- JUL Atividade 1 X X Atividade 2 X X X Atividade 3 X X Atividade 4 X X Atividade 5 X X AGO- SET Atividade 6 X X X Atividade 7 X Atividades: Atividade 1: Escolha do tema, formulação do problema e Levantamento bibliográfico; Atividade 2: Estudo da Simulação e elaboração do projeto Atividade 3 : Coleta de dados e aplicação do controle Atividade 4: Análise de dados; Atividade 5: ajustes finais do sistema; Atividade 6: Redação final da dissertação; Atividade 7: Defesa da Tese.

31 8. REFERÊNCIAS [30] Boulos,M.I., Thermal plasma processing. IEEE Transactions on plasma science, vol.19,nº 6,Dezembro 1991, pp [31] Laboratório de análise de resíduos - LAR. Tecnologia de plasma. UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Março 2011,PP [32] Felipini,Celso Luiz.Noções sobre Plasma Térmico e suas Aplicações.Faculdade de Ciência Exata e tecnológica da USJT,2005.pp [33] Giné-Rosias, Maria Fernanda. Espectrometria de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente. (ICP-AES). Piracicaba: CENA, 1998, 148P.:il. (Série Didática, v.3) [34] Paredez Angeles, Pablo Jenner. Estudo de tochas de plasma através da teoria da similaridade, Dissertação (mestrado). UFCG.Campinas, SP: [s.n.], [35] Altair S. de Assis. Inertização do Lixo Tóxico com a Tecnologia de Plasma. Universidade Federal Fluminense IM GMA, [36] WILLIAMS, B. M. J. R. B.; NGUYENS, D. Solid Waste Conversion: A review and database of current and emerging technologies. [S.l.], [37] FARINGDON, A. Plans unveiled for breakthrough plasma plant. [S.l.], [38] PLASMA Environmental Technologies Inc. Julho Disponível em: < [39] AMARAL, I. B. Ricardo do; MENESES, M. O Plasma térmico - Solução final para os resíduos perigosos. [S.l.], [40] PLASCON. Março Disponível em: < [41] RF Thermal plasma treatment of waste glass and its reutilization in composite materials [42] RIMAITYTé, G. D. I.; JAGER, J. Report: Environmental assessment of Darmstadt (germany) municipal waste incineration plant. Waste Management - Research, SAGE Publications. [43] GUIMARÃES, T. Q. d. M. A. M.; SALAZAR, A. O. Automation system applied to plasma inertization plant. Congresso Brasileiro de Automação - CBA, [44] GOMEZA D. AMUTHA RANIA, C. C. D. D. M. W. E.; BOCCACCINIA, A. Thermal plasma technology for the treatment of wastes: A critical review. Journal of Hazardous Materials, 2009.

32 [45] Kreith, Frank and Mark S. Bohn; Revisão técnica Flávio Maron Vichi e Maria Teresa Castilho Mansor.. Princípios de transferência de calor. São Paulo: Pioneira Thompson Learning,2003 [46] Gudmundsson, J.T.; Lieberman, M.A. Magnetic induction and plasma impedance in a cylindrical inductive discharge. Plasma Sources Science Technology. USA, v. 6, p , jul

33

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