simulaÇÃo e monitoraÇÃo de fornos cerÂmicos a rolos com o objetivo de melhorar o desempenho...

SIMULAÇÃO E MONITORAÇÃO DE FORNOS CERÂMICOS A ROLOS COM O OBJETIVO DE MELHORAR O DESEMPENHO

ENERGÉTICO

Eng . Tales Gottlieb Jahn Prof. Vicente de Paulo Nicolau

Motivação

• Estudo detalhado do sistema de queima de fornos a rolos – que, em geral, são importados.

• Redução do consumo especifico dos fornos, tornado-os mais eficientes termicamente.

• Desenvolvimento de novos equipamentos de queima.

Desafios

• Busca de empresas parceiras que abrissem as portas para um estudo aprofundado do seu modelo de produção.

• Medições de vazões e temperaturas capazes de gerar um balanço de massa e energia global do forno a rolos.

• Modelagem matemática para as trocas térmicas no interior do forno a rolos.

• Simulação utilizando o software comercial CFX, e a linguagem de programação Fortran devido a variação do tamanho das partes que compõem o forno.

• Manter a qualidade dos produtos após feitas as modificações.

Objetivos

• Analise experimental de um forno a rolos, utilizado na cerâmica de revestimentos;

• Balanços de massa e energia do forno a rolos a fim de compreender seu funcionamento;

• Simulação do funcionamento do forno a rolos utilizando o software comercial CFX e a linguagem de programação Fortran 90;

• Gerar modificações no funcionamento deste equipamento a fim de reduzir o consumo especifico de energia;

AplicabilidadeAplicabilidade

• O forno estudado foi esta situada na Industria Cerâmica Casagrande (Rio Negrinho – SC) e posto em operação 2004, produzindo revestimentos cerâmicos (Porcelanatos e Grês-Porcelanatos).

C ha m in e 1 C h a m ine 2 C h a m ine 3

En tra d a

Re sfria m e n to in d ire to

Re sfria m e n to Fina l

Re sfria m e n to D ire to

Re g iã o d e p ré -a q ue c im e nto

Re g iã o d e Q u e im a infe rio r

Re g iã o d e Q u e im a in fe rio r e su p e rio r

Sa íd a

Esquema do forno a rolos

O forno possui 124 metros de comprimento divididos em 3 regiões distintas, que se dividem em sub-regiões:

• Região de pré-aquecimento corresponde a aproximadamente a 10 metros do forno;•Região de Queima:

•Queima inferior onde são colocados queimadores somente na parte inferior do forno corresponde a 28 metros do forno;•Queima inferior e superior onde o sistema de queima esta colocado na parte superior e inferior do forno corresponde a 32 metros do forno;

• Região de Resfriamento.



Modulo do forno rolos

• O levantamento das condições atuais de funcionamento foi realizado através da medição de temperatura e de vazão dos fluxos de massa que entram e saem do forno. • As medições de vazão de ar e gases nas chaminés foram obtidas através de Tubos de Pitot, acoplados a micromanômetros digitais ou de coluna de álcool.

• A composição dos gases de exaustão das chaminés foi avaliada por um analisador de gases capaz de medir os seguintes componentes: O2, CO, CO2, SO2, NO e NOx.

Resultados ExperimentaisResultados Experimentais

• Através do balanço de massas foi possível obter informações do volume de massa que circula no interior do forno. • Com as medições de pressão ao longo do comprimento do forno foi possível verificar o deslocamento dos gases entre as regiões do forno a rolos.

• A curva de temperatura mostra a influência de uma região sobre a outra no interior do forno.


Nº. Ponto de Medição Vazão

(kg/s)

Temperatura

(oC)

Entradas

1 Ar de Combustão 1,85 150

2 Gás Combustível* 0,1 25

3 Ar Resfriamento Direto 2,74 27

4 Ar Resfriamento Indireto 3,43 27

5 Ar Resfriamento Final 14,3 27

6 Massa dos Produtos 2,13 150

Saídas

7 Chaminé 01 (tiragem) 5,16 296

8 Chaminé 02 (resf. Indireto) 3,46 163

9 Chaminé 03 (resf. Final) 16,69 146

* estimado nas condições de referência (25oC e pressão atmosférica).

Analise experimental – Balanço de massa

Valores médios de vazões e temperaturas no interior do forno



-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100Comprimento do Forno (m)

Pres

são

(mm

H2O

)

Pressão do Forno

Queima inferior

Queima

Resfriamento

Curva de pressão no interior do forno a rolos.

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Com prim ento do Forno (m )

Tem

pera

tura

gas

es (º

C)

Ponto próximo a parede

Ponto próximo ao Centro

Analise experimental – Curva de queima

Curva de queima ao longo do comprimento do forno a rolos.


Nº. Ponto de Medição Energia (kW) Fração do Total (%)

Entradas

1 Ar de Combustão 170 3

2 Geração de Energia (queima) 4851 95

3 Ar Resfriamento Direto 8 0,2

4 Ar Resfriamento Indireto 15 0,3

5 Ar Resfriamento Final 29 0,7

6 Combustível* 0 0

7 Produtos 35 0,7

Saídas

8 Chaminé 01 (tiragem) 1266 25

9 Chaminé 02 (resf. indireto) 388 8

10 Chaminé 03 (resf. final) 2044 40

11 Perdas pelas Paredes (total) 356 7

12 Produtos 232 5

13 Reações na massa 500 10

14 Incertezas 300 6

* Nas condições de referência (25ºC e pressão atmosférica).

Analise experimental – Balanço de energia

Distribuição da energia no interior do forno a rolos.


Posição O2 (%) CO (ppm) XAIR (%) CO2 (%)

NO

(ppm)

NO2

(ppm)

NOX

(ppm)

SO2

(ppm) TFlue (°C)

Chaminé 1 13,2 130 171 4,4 19 1 20 25 270,8

Chaminé 3 20,9 6 amb 0,0 0 0 0 0 143,3

• Através da analise da composição química dos gases de exaustãodo forno a rolos pode-se diagnosticar a possibilidade de reutilizaçãoda energia liberada.

Analise dos gases das duas principais chaminés do forno a rolos.


Simulação CFX

Velocidades no interior do forno a rolos

Resultados CFXResultados CFX

Distribuição de temperatura no interior do forno.

Resultados CFXResultados CFX

Resultados esperados

• Através da simulação no CFX foi possível obter um perfil do coeficiente de convecção no interior da região de queima;

• A modelagem do forno a rolos na linguagem Fortran possibilitará o dimensionamento da parcela de radiação presente nas trocas térmicas;

• Com a parcela de radiação dimensionada será possível avaliar a possibilidade de implementação de queimadores radiantes;

• O redimensionamento do sistema de isolamento térmico do forno poderá ser elaborado através dos perfis de perdas obtidos com o programa Fortran, assim reduzindo custo de produção dos fornos.

Benefícios Econômicos

• Redução de 15% no consumo de gás natural no forno a rolos;

• Possibilidade de redução no consumo de gás natural do secador a rolos através da utilização da energia desperdiçada no forno;

• Redução das perdas na produção devido a homogeneização da temperatura na secção do forno;

• Redução da emissão de poluentes devido a redução de consumo do forno e a obtenção de melhores regulagens;

Conclusões

• A utlização de CFX auxiliou na melhor compreensão do fluxo de massa e calor no interior do forno a rolos, além de possibilitar a avaliação de algumas propriedades do escoamento.

• A análise experimental possibilitou encontrar alguns excesso de consumo de energia, devido ao deslocamento de uma massa de gases da região do resfriamento para a região de queima do forno.

• A reutilização da energia perdida pela chaminé pode contribuir significativamente para a redução do consumo de gás natural no forno, através do pré-aquecimento do ar de combustão.

Agradecimentos

• Ao PRH 09, que tornou possível o trabalho pelo apoio financeiro, e pela compra de computadores capaz de operar os softwares utilizados;

• A UFSC, através do LabCet, pelos equipamentos emprestados para aquisição dos dados e pelo espaço físico disponibilizado.

• À Cerâmica Casagrande, pelo acesso ao forno para as medições.

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