No Japão, há uma regulamentação governamental denominada “Lei sobre a Racionalização do Uso de Energia”. Todas as indústrias são obrigadas a se esforçar suficientemente em orientações específicas para a conservação de energia em áreas de operação da planta, tais como transporte, edifícios etc
Acreditamos que essa tendência seja basicamente a mesma em todo o mundo. “A economia de energia” e a “sustentabilidade” estão se tornando globalmente muito importantes no mundo dos negócios de hoje. Espera-se que todos nós tomemos ações concretas para reduzir o consumo de energia em cada parte de nossas atividades comerciais.
Neste cenário, as indústrias, como a automotiva e a de eletrodomésticos, são capazes de utilizar “o consumo de energia” como uma oportunidade de mercado para novos produtos. A maioria das entidades de negócios, no entanto, não tem essas novas oportunidades de mercado e deve tornar-se mais eficiente em energia em todos os aspectos de seus negócios.
Nossa empresa, a Tokai Konetsu Kogyo Co., Ltd. (TKK) no Japão, tem fabricado e vendido elementos de aquecimento de carbeto de silício (SiC) sob a marca “EREMA” desde 1936. Existem vários tipos de elementos de aquecimento disponíveis para aquecimento industrial. De um modo geral, os elementos de aquecimento metálicos, tais como o filamento de Nichrome (Ni-Cr), são comumente utilizados em faixas de temperatura mais baixas (até 1100°C), e elementos de dissiliceto de molibdênio (MoSi2) são frequentemente utilizados em ranges de altas temperaturas (1200-1900°C). Os elementos de aquecimento de SiC da EREMA operam entre os dois, em temperaturas de até 1600°C.
O material de SiC é único na medida em que apresenta uma elevada resistência ao ácido e à corrosão, e pode, portanto, ser utilizado em ambientes severos. Consequentemente, os elementos de aquecimento de SiC são frequentemente encontrados nas indústrias de vidro, metalurgia do pó e cerâmica, nas quais os produtos são liberados sob forma gasosa e criam esses ambientes severos.
Equilíbrio e Perda de Calor
Em nosso estudo, a maioria dos fornos contínuos atmosféricos perdeu calor para quatro componentes: paredes do forno, produtos que estão sendo tratados no forno, teto e cadinhos, e as extremidades frias dos elementos de aquecimento de SiC.
A Fig. 1 mostra a proporção de perda de calor por meio das quatro principais causas. Cerca de 23% da perda do calor total ocorre na extremidade fria dos elementos de SiC, de acordo com o nosso estudo. Isto significa que os elementos de SiC contribuem significativamente para a perda de calor do forno. Eles produzem o calor, mas ao mesmo tempo o perdem. Por conseguinte, devem desempenhar um papel importante nas considerações de economia de energia.
A Fig. 2 mostra as partes de um elemento típico de aquecimento de SiC e o seu fluxo de calor. Normalmente, pensamos que todo o calor gerado pelo elemento flui da zona quente para os produtos sob tratamento térmico. No entanto, no equilíbrio de calor do ambiente do forno real a perda de calor a partir das extremidades frias existe e é um desperdício inevitável neste tipo atual de forno.
Nós focamos neste ponto e desenvolvemos um novo produto (chamado EREMA EH) com base na ideia de que a redução do calor libertado a partir das extremidades frias deve diminuir o consumo elétrico dos elementos de aquecimento e da operação do forno como um todo.
Material Especial para a Extremidade Fria
Na verdade, a extremidade fria do elemento aquece devido à significativa resistência elétrica nesta área. Para reduzir a perda de calor a partir da extremidade fria, sua resistência elétrica deve ser reduzida. A fim de reduzir a resistência da extremidade fria, reexaminamos as matérias-primas e o processo de sinterização para produzir os elementos de aquecimento de SiC. O resultado foi encontrar um método para reduzir a resistência da extremidade fria para até um terço dos nossos produtos convencionais.
Não é possível especificar exatamente a extensão da economia, mas a proporção da economia de energia prevista do EREMA EH é calculada para ser de 4-5%. O valor exato depende do diâmetro e da proporção de comprimentos entre a zona quente e extremidade fria.
Consumo de Energia
A economia de energia varia de acordo com o tamanho e com a razão entre os comprimentos da zona quente e das extremidades frias do elemento de aquecimento. A Fig. 3 mostra uma simulação entre estes comprimentos. Mais calor será perdido se o comprimento da extremidade fria for maior e se a proporção entre o comprimento da extremidade fria e da zona quente for maior.
Considerando-se estas diferenças entre os tamanhos dos elementos de aquecimento, a Tabela 1 mostra a economia de energia em produtos típicos.
Como um fabricante de fornos, realizamos um experimento instalando elementos de aquecimento EREMA EH em um forno tipo caixa. A Fig. 4 mostra as curvas de energia elétrica requeridas dos nossos elementos de aquecimento de SiC padrão e de elementos EH Limpos a uma temperatura de forno de 1000-1400°C. Como você pode notar, o EREMA EH conseguiu uma redução de energia de 5% nesta faixa de temperatura. No total, 24 elementos foram instalados no forno, utilizando elementos EH tipo haste E 20 x 650 x 350 mm.
Este valor de 4-5% pode não representar uma grande redução da energia utilizada. No entanto, é suficientemente significativa para ser considerado e pode ser facilmente realizado utilizando este novo produto. O EREMA EH pode ser produzido com o mesmo tamanho e mesmas características elétricas que produtos existentes, de modo que ele pode simplesmente substituir os antigos elementos de aquecimento do forno.
Temperatura nas Extremidades Frias
Outro benefício do EREMA EH é que a temperatura das extremidades frias será reduzida, como resultado da menor geração de calor ali. O experimento de verificação utilizando o forno de laboratório (Fig. 5) em nossa fábrica mostrou uma redução significativa da temperatura das extremidades frias de 276°C para 208°C com o EREMA EH. A Fig. 6 mostra uma comparação da imagem térmica das extremidades frias dos elementos salientes a partir do forno quente.
Embora a extensão da redução da temperatura dependa de muitos outros fatores (tais como a temperatura no forno, do tipo de material de isolamento, da sua espessura, da atmosfera, etc.), o EREMA EH irá reduzir a temperatura das extremidades frias, em certa medida. Isso pode fornecer um benefício adicional quando se considera o ambiente total e o design do forno.
Em algumas operações, a atmosfera do forno deve ser cuidadosamente controlada. Para este tipo de operação, os fornos são geralmente construídos com um invólucro à prova de gás, de modo que a temperatura na caixa de terminais na extremidade dos elementos de aquecimento tende a subir. É comum instalar um dispositivo de arrefecimento de forma a evitar a degradação dos componentes de eletrodos nos terminais em tais ambientes.
Com os elementos de aquecimento EREMA EH, no entanto, nem sempre é necessária a instalação de tais dispositivos de arrefecimento, já que a temperatura nas extremidades frias é menor do que nos elementos de aquecimento convencionais de SiC. Este é um benefício adicional, não quantificado, que contribui com mais economia de energia, quando considerada a operação total do forno.
Conclusão
Um novo produto – elementos de aquecimento EREMA EH – pode economizar cerca de 4-5% de seus custos de aquecimento na faixa de temperatura de 800-1600°C. Esta economia foi alcançada por intermédio da redução da perda de calor pelas extremidades frias do elemento, fazendo do EREMA EH um item de substituição direta dos produtos atuais.
A Tokai Konetsu está animada por introduzir este produto no espírito mundial de economia de energia e sustentabilidade e está ansiosa para prover essas economias a seus clientes.
Para mais informações: Contate Toshio Nakai, e-mail: tnakai@tokaicarbon.com; web: www.tokaicarbon.com
