Tijolos isolantes refratários (TIRs) são produtos bem estabelecidos para a solução de muitos problemas de contenção de calor de altas temperaturas em indústrias que vão desde a produção de cerâmica em fornos até ânodos de alumínio primário. Os preços voláteis da energia nos últimos anos têm aumentado a importância de maximizar a economia de energia nessas indústrias. A fim de otimizar esta economia, os projetistas de fornos precisam saber quais os produtos fornecem as mínimas perdas de energia
O objetivo deste trabalho é de quantificar as diferenças de desempenho que podem ser alcançadas através do estudo de uma ampla gama de TIRs atualmente disponível no mercado. Isto é conseguido através de medições em laboratório das perdas de energia de um regime padrão de um forno construído com uma variedade de tijolos de teste. Já que diferentes fornecedores fabricam TIRs por diferentes técnicas (fundição, extrusão, compactação por impacto, a partir de espuma, prensagem), as microestruturas produzidas nos tijolos podem ser muito diferentes. Isto leva a uma grande variedade de condutividade térmica no mercado dentro de uma mesma classe de produto, o que, por sua vez, leva a uma grande variedade na capacidade de controle de perda de energia do forno para os diferentes tipos de TIRs.
Este trabalho demonstra que os TIRs podem exibir até 37% de diferença na economia de energia possível, dependendo do seu método de fabricação. O artigo também apresenta outras conseqüências do método de fabricação no desempenho em termos de aquecimento e das taxas de resfriamento e redução de emissões de CO2.
Base
Métodos de fabricação dos TIRs
A Tabela 1 lista as propriedades físicas de quatro TIRs classe-23 disponíveis comercialmente, representando os principais processos de fabricação utilizados pelos fabricantes. O processo de “fundição” utiliza gesso como um meio rápido de moldagem para uma mistura de argila com alto conteúdo de água com alguns aditivos adicionais para queima. O processo de compactação por impacto é uma forma de extrusão de baixa pressão de uma mistura de argila úmida contendo altos níveis de aditivos de queima com uma etapa adicional de processamento onde o material semi-extrudados fica “pendurado” em uma correia contínua para gerar porosidade adicional antes da secagem e queima. O processo de “Extrusão” força a mistura de argila úmida com aditivos de queima através de um bico de extrusão, onde o extrudado é posteriormente cortado em tijolos, seco e queimado. O processo de “cimento” é uma forma de fundição usando cimento em vez de gesso, o que leva a uma moldagem muito mais lenta. Mais detalhes a respeito destes processos de fabricação estão disponíveis na literatura [1].
Os dados de densidade apresentados na Tabela 1 são a média das medidas registradas em seis tijolos selecionados aleatoriamente de um lote maior de produtos. O restante dos dados de propriedades físicas são geralmente uma média de três medições, enquanto os dados de condutividade térmica mostrados na figura são medidos em uma amostra selecionada aleatoriamente do lote.
Condutividade térmica do TIR
Os diferentes métodos de fabricação dos TIRs produzem materiais com diferentes estruturas e químicas, que, por sua vez, oferecem propriedades de desempenho diferentes. [2] O parâmetro primário de desempenho para os TIRs é a sua capacidade de isolar, o que, em termos de propriedades mensuráveis, é avaliada pela condutividade térmica do produto. A densidade é por vezes utilizada como uma regra indicadora da capacidade de isolamento de um TIR, mas ela pode ser enganadora.
A diferença de condutividade térmica entre os diferentes tipos de TIRs é mostrada na figura 1. Pode ser visto a partir destes dados que a condutividade térmica dos TIRs estudados não está diretamente ligada à densidade. Por exemplo, o produto com mais alta densidade (compactado por impacto) tem valores intermediários de condutividade térmica, enquanto o TIR com a mais alta condutividade térmica (cimento) na verdade tem uma das menores densidades entre os produtos estudados. Assim, para maximizar a capacidade isolante do TIRs, a seleção de produto não deve ser feita pelos valores de densidade.
Os dados de condutividade térmica publicados comercialmente variam em qualidade e precisão, com algumas folhas de dados omitindo o método de ensaio, o que torna os dados enganosos, quando comparando e selecionando produtos. Os dados de condutividade térmica citados neste trabalho foram medidos de forma independente sob a ASTM C-182, mas o que não é normalmente publicado é como os dados de condutividade térmica se traduzem em condições reais em serviço. Se um TIR tem menor condutividade térmica do que outro, como é que se traduz em perda de calor em aplicações reais em termos de custos de energia? Este trabalho serve para responder a esta pergunta, medindo o consumo de energia real sob condições controladas utilizando diferentes TIRs.
Experimental
Encomendamos a um construtor de fornos que fabricasse dois fornos mufla de laboratório com aquecimento elétrico de projetos e potências idênticos (Fig. 2). Um deles foi revestido com TIRs fundidos como caracterizado na Tabela 1, e o outro foi forrado com TIRs de cimento. Nós selecionamos esses dois TIRs para o estudo uma vez que representam os TIRs com a menor e maior condutividade térmica.
Para cada forno, medidores de energia foram montados entre a fonte de energia e o forno, a fim de medir o consumo de energia durante as queimas teste controladas. Duas queimas de teste foram realizadas. O teste 1 foi uma rampa de 3°C / minuto a partir da temperatura ambiente até 800°C, manutenção por 15 horas e resfriamento natural à temperatura ambiente. O teste 2 foi uma rampa de 3°C / minuto da temperatura ambiente até 1000°C, manutenção por 15 horas e resfriamento natural à temperatura ambiente.
Resultados
Os resultados do uso de energia são mostrados nas Tabelas 1 e 2.
Através do monitoramento dos fornos durante os testes usando uma câmera de infravermelho (VarioCam, detector FPA de 320×240 pixels, 25 mm FOV de 32°x25°), as temperaturas da superfície do forno puderam ser medidas. A Figura 3 ilustra o quanto de calor é desperdiçado através do corpo do forno revestido com o TIR com a maior condutividade térmica e como a superfície do forno torna-se superaquecida. Esse comportamento tem o efeito combinado de desperdiçar custos de energia e de apresentar problemas de saúde e segurança em termos de temperaturas de trabalho perigosas.
Discussão
Os resultados do teste monitorado de queimas demonstraram que pode haver diferenças consideráveis nos requisitos de energia para aquecer os fornos construídos, utilizando diferentes tipos de TIR. Com os tipos de TIR estudados sob nossas condições de teste de queima, ~ 37% menos de energia foi necessária para executar o teste com um forno em ciclo de queima de 1000°C (1832°F) com o TIR fundido em comparação com o TIR de cimento. Essa diferença no consumo de energia é uma conseqüência das diferentes condutividades térmicas, que são devidas às diferenças na microestrutura e no tamanho dos poros criados pelos processos de fabricação. [2] As figuras 4a a 4c mostram a microestrutura dos TIRs fundido e de cimento utilizados no estudo, como observado sob um microscópio eletrônico.
As Figuras 4a-4c mostram que o TIR fundido tem uma microestrutura muito mais fina. O TIR de cimento tem uma grande quantidade de buracos relativamente grandes na sua estrutura, que vão de 700 a 1300 micra. Estes grandes tamanhos de poros são formados quando materiais combustíveis são adicionados à mistura para o processo de fundição à base de cimento e são queimados durante o processo de queima. Tipicamente, esferas expandidas de polímeros de ~ 1 mm de diâmetro são utilizadas pelos fabricantes para criar níveis tão elevados de porosidade no produto queimado. Isso tem o efeito de reduzir a densidade e fazer com que o tijolo seja leve, mas não contribui muito para as propriedades de isolamento do TIR.
Tanto os TIRs fundido e de cimento exibem tamanhos semelhantes de poros na faixa de médio porte, com cerca de 50 micra de diâmetro. Isto é, mais uma vez, devido ao uso de aditivos de queima. Mas o TIR fundido tem uma proporção muito maior de poros na faixa de <10 micra de tamanho. Ensaios de porosimetria por mercúrio[2] indicam uma presença significativa de porosidade ainda mais fina do que esta no TIR fundido. É esta combinação da estrutura de poros ultrafinos, juntamente com uma ausência de tamanhos de poros muito grandes, que permitem que o TIR fundido tenha menor condutividade térmica em comparação com o TIR de cimento.
Os TIRs são normalmente utilizados em aplicações >1000°C, porque, nestas temperaturas, proporcionam o melhor isolamento em termos de custo-benefício disponível, em comparação a isolamentos refratários alternativos (Fig. 5). A natureza estrutural dos produtos também significa que eles oferecem resistência à abrasão em ambientes de alta temperatura, juntamente com a resistência química (quando a química é adaptada para lidar com gases específicos).
Em aplicações de temperaturas acima de 1000°C, o mais importante mecanismo de transferência de calor torna-se a radiação, ao invés de condução ou convecção, que são os mais importantes mecanismos de transferência de calor em temperaturas mais baixas. Os tamanhos grandes dos poros no TIR de cimento são ineficientes em retardar a transferência de energia nos comprimentos de onda infravermelhos envolvidos, de modo que este tipo de TIR apresenta uma condutividade térmica maior em comparação ao fundido. Por outro lado, a estrutura microporosa do TIR fundido, com seu pequeno tamanho dos poros, é muito mais eficiente em interferir na transferência de energia em comprimentos de onda infravermelhos, de modo que este tipo de TIR apresenta baixa condutividade térmica. É por isso que a microestrutura do TIR fundido fornece isolamento superior em comparação ao TIR de cimento.
Economia de energia
Os resultados dos testes de laboratório demonstram o potencial para minimizar o uso de energia por meio da seleção adequada do TIR para o revestimento de fornos. Para entender como isso afeta instalações reais de fornos de tamanhos reais, rodamos cálculos de transferência de calor (usando os mesmos tipos de TIR fundido e de cimento usados nos estudos de laboratório) para avaliar os custos de energia de funcionando para um forno de rolo usado por fabricantes de cerâmica (Tabela 4).
O modelo “face quente” do arranjo padrão do revestimento (camada 1) foi criado com base nos dados dos TIRs classe-26 disponíveis comercialmente (JM26, Thermal Ceramics). O isolamento de backup (camada 3) foi criado usando dados de placas de fibra bio-solúvel comercialmente disponíveis (Superwool 607, Thermal Ceramics). Para avaliar o efeito de usar diferentes tipos TIR no arranjo de revestimento sobre o consumo de energia, a camada 2 foi designada como a camada de teste, na qual os dados de diferentes tipos de TIR foram inseridos. Os resultados dos cálculos de transferência de calor são mostrados na Fig. 6.
Os cálculos de transferência de calor mostram que o arranjo do revestimento com o TIR de cimento requer mais 152 W/m2 de energia para manter a temperatura do forno a 1300°C, do que o arranjo de revestimento com o TIR fundido na camada 2. Assim, para uma área de aquecimento de 150 m2, a diferença no consumo de energia entre os dois fornos de rolos simulados é de 22,8 kW. Isso equivale a uma economia de aproximadamente 230 mil kW de energia por ano, usando o TIR fundido em comparação ao TIR de cimento. Assumindo um preço do gás de €0,035 / kWh, isso equivale a uma economia anual de ~ €8.000 / ano. Uma vez que a vida média de um revestimento de um forno é de cerca de 10 anos, a economia total sobre a vida do revestimento do forno seria de ~ €80.000.
A área de 150 m2 de aquecimento no forno precisaria de ~ 8.500 TIRs de tamanho padrão. Embora o preço do TIR fundido seja maior do que o de cimento neste exemplo, este preço mais elevado seria pago em apenas quatro meses. Após o período de retorno inicial de quatro meses, o restante da vida útil de 10 anos oferece contínuas economias devido à menor necessidade de energia.
Impacto adicional da seleção do TIR
Outra conseqüência importante da economia de energia alcançada usando o TIR de menor condutividade térmica é a redução nas emissões de CO2. Usando o TIR fundido em vez do TIR de cimento, ocorre uma redução no impacto ambiental pelo funcionamento do forno. No cenário atual do forno, como a economia usando TIR fundido é, neste exemplo, de aproximadamente 230 mil kW / ano, um forno tipo rolo a gás natural vai precisar de 22.000 m3 / ano menos gás para a queima. Como o gás natural produz 37,8 MJ/m3, então 830.000 MJ / ano serão salvos. Já que 1m3 de gás natural produz ~ 1 m3 de CO2, há uma redução potencial das emissões de CO2 de aproximadamente 22.000 m3 / ano. O equivalente a 1m3 de CO2 é 1,96 kg, o que equivale a ~ 43 toneladas / ano em redução de CO2 produzido ou 430 toneladas ao longo da vida do revestimento de forno.
Um benefício adicional do uso do TIR fundido de menor condutividade térmica sobre o TIR de cimento é que a temperatura externa do forno é menor. No exemplo calculado neste trabalho, a temperatura externa do forno utilizando TIR fundido na camada 2 é de 79°C, enquanto que a temperatura da externa do forno utilizando TIR de cimento na camada 2 é de 88°C. A menor temperatura da superfície obtida com o TIR fundido produz um ambiente de trabalho mais confortável para os operadores e minimiza o risco de queimaduras por contato com a superfície do forno, em comparação com a maior condutividade térmica da TIR de cimento.
A escolha do TIR no revestimento do forno também impactará outros aspectos práticos da utilização do forno em um ambiente de produção. Selecionar o TIR fundido ao invés do TIR de cimento permitirá mais rápidas taxas de aquecimento e de resfriamento no forno, porque o TIR fundido de baixa densidade tem uma massa térmica menor. Este efeito foi observado nos estudos de energia relatados neste artigo. Tanto durante os testes de queima a 800°C e a 1000°C, o TIR fundido atingiu a temperatura programada de trabalho mais rápido que o TIR de cimento.
Conclusões
O trabalho relatado neste artigo demonstrou os seguintes pontos:
– Diferenças no uso de energia tão grandes quanto 37% foram medidas em condições controladas de laboratório, entre TIRs fabricados por diferentes métodos;
– Ao selecionar produtos isolantes refratários para revestimento de interiores de fornos, muita atenção deve ser dada à condutividade térmica relatada dos TIRs;
– A densidade dos produtos não deve ser usada como um critério para avaliar a capacidade de isolamento, pois isso pode levar a seleção de um produto incorreto;
– Para minimizar o consumo de energia no forno, a condutividade térmica publicada deve ser medida a um padrão internacional reconhecido (por exemplo, ASTM C-182) e ser a mais baixa o possível. Selecionando um TIR devido ao preço por si só pode vir a ser uma falsa economia e um erro caro em longo prazo;
– TIRs fabricados por processo de fundição oferecem a menor condutividade térmica disponível hoje em temperaturas de aplicação e, portanto, fornecem a maior economia de energia.
Este trabalho quantificou a economia de energia que é possível quando se utiliza os TIRs fundidos. Os benefícios de usar o TIR de menor condutividade térmica disponível são:
1. Potencial de redução de custos devido à grande redução no consumo de energia
2. Menores emissões de CO2 devido ao uso reduzido de energia
3. Temperaturas reduzidas da superfície do forno oferecem condições de trabalho mais seguras aos operadores. IH
Para mais informações: Contate o Dr. Andy Wynn, Morgan Thermal Ceramics, Tebay Road, Bromborough, Merseyside, CH62 3PH, Reino Unido; tel: (+44) 151 482 7483; fax: (+44) 151 482 7426; e-mail: andy.wynn@morganplc.com; web: www.morganplc.com ou Lance Caspersen, Morgan Thermal Ceramics, 2102 Old Savannah Road, Augusta, GA 30906, EUA; tel: 706-796-4200; fax: 706-796-4328; e -mail: lance.caspersen@morganplc.com
Referências
[1] Moody KJ, Street JP, Magni E. Insulating Firebrick: Manufacturing Processes and Product Quality. In Alafar Conference, Guatemala, Nov. 7-11, 2004;
[2] Wynn A, Marchetti M, Street JP, Yin T. Insulating Firebrick – Effect of Manufacturing Method on Product Performance. In UNITECR 09 Conference, Brazil, Oct. 13-16, 2009.
