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;

Aplicabilidade 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). Esquema do forno a rolos

Aplicabilidade 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.

Aplicabilidade Modulo do forno rolos

Resultados Experimentais 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 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.

Resultados Experimentais Analise experimental – Balanço de massa Valores médios de vazões e temperaturas no interior do forno

Resultados Experimentais Curva de pressão no interior do forno a rolos.

Resultados Experimentais Analise experimental – Curva de queima Curva de queima ao longo do comprimento do forno a rolos.

Resultados Experimentais Analise experimental – Balanço de energia Distribuição da energia no interior do forno a rolos.

Resultados Experimentais Através da analise da composição química dos gases de exaustão do forno a rolos pode-se diagnosticar a possibilidade de reutilização da energia liberada. Analise dos gases das duas principais chaminés do forno a rolos.

Resultados CFX Simulação CFX Velocidades no interior do forno a rolos

Resultados CFX Distribuição de temperatura no interior do forno.

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.