Combustão de Combustível e Transferência de Calor em Fornos: Otimização da Eficiência Energética

Combustão de Combustível e Transferência de Calor em um Forno

O calor é necessário em um forno para aquecer a carga do forno (material a ser aquecido) e, às vezes, para reações químicas. As três fontes de energia térmica são: (i) combustão de combustíveis, (ii) energia elétrica e (iii) energia química disponível através de reações exotérmicas. Exceto nos fornos eletrotérmicos, essa necessidade de calor (excluindo a energia química) é atendida pela combustão de um combustível. O combustível pode ser gasoso (ex.: gases de subprodutos como gás de coque, gás de alto-forno, gás de conversor, gás natural, GLP), líquido (ex.: óleo combustível, alcatrão) ou sólido (ex.: carvão, coque).

Fundamentos da Combustão

Todos os combustíveis contêm energia potencial. Na combustão, essa energia é liberada nos produtos de combustão (PDC). A combustão é normalmente considerada a liberação controlada de calor e energia da reação química entre um combustível e um oxidante. Quase toda a combustão em processos industriais usa combustível hidrocarbonado. Uma reação generalizada para um combustível hidrocarbonado típico é: combustível + oxidante = dióxido de carbono (CO₂) + vapor de água (H₂O) + outras espécies. As "outras espécies" dependem do tipo de oxidante usado e da razão combustível/oxidante. O oxidante mais comum é o ar, que consiste em cerca de 79% de nitrogênio (N₂) em volume e geralmente passa pelo processo de combustão. Se a combustão é rica em combustível (falta O₂ para queima completa), existem hidrocarbonetos não queimados nos produtos de exaustão e pouco ou nenhum O₂ em excesso. Se é pobre em combustível (excesso de O₂), há O₂ em excesso nos gases de exaustão.

Influência do Combustível na Transferência de Calor

O combustível influencia significativamente a transferência de calor no sistema de combustão do forno. Uma das propriedades mais importantes é o poder calorífico do combustível, usado para determinar quanto combustível queimar para atingir a taxa de produção desejada. O poder calorífico é especificado como poder calorífico superior (PCS) ou inferior (PCI).

O PCI exclui o calor de vaporização (energia para converter água líquida em vapor), assumindo que todos os PDC são gasosos, o que ocorre na maioria das aplicações industriais. Se os produtos de combustão saem a temperatura baixa o suficiente para condensar a água, o calor de condensação é liberado como energia adicional. O PCS inclui essa energia extra.

Composição e Propriedades do Combustível

A composição do combustível determina a composição dos PDC e a quantidade de oxidante necessária. A densidade do combustível é necessária para determinar vazões no sistema de alimentação e dimensões das tubulações.

A composição do gás de exaustão é crucial para a transferência de calor. Hidrocarbonetos não queimados indicam combustão incompleta. Altos níveis de O₂ em excesso indicam excesso de oxidante, que leva energia sensível para fora pela chaminé. Se o oxidante é ar, grande parte da energia do combustível é perdida com o N₂ nos gases de escape.

Os PDC transferem energia térmica à carga do forno, elevando sua temperatura ao valor requerido, e depois deixam o forno. O calor sensível nos PDC na temperatura crítica do processo não está disponível para o forno. Quanto maior a temperatura crítica, maior o calor sensível nos PDC, o que é muito importante do ponto de vista da utilização do combustível.

Tipos de Oxidantes e Combustão Enriquecida com Oxigênio

Existem dois tipos comuns de oxidantes: ar (maioria dos processos) e oxidantes com maior concentração de O₂ que no ar (~21% vol.), chamados de combustão enriquecida com O₂. Em muitos casos, a taxa de produção pode aumentar significativamente com pequenas quantidades de enriquecimento.

Queimadores ar/combustível podem operar com oxidante contendo até ~30% O₂ com poucas ou nenhuma modificação. Em concentrações maiores, a chama pode se tornar instável ou a temperatura muito alta para queimadores projetados para ar/combustível. Em aplicações de alta temperatura, onde os benefícios do O₂ de alta pureza justificam custos adicionais, oxidantes com >90% O₂ são usados, intensificando muito o processo de aquecimento. A pureza do oxidante influencia significativamente a transferência de calor.

Razão Combustível/Oxidante e Estequiometria

Um aspecto importante é a razão combustível/oxidante. Usando CH₄ (metano) como exemplo, a reação estequiométrica global com ar: CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂. A razão estequiométrica é 2 (2 moléculas de O₂ por molécula de CH₄). Este método é usado em sistemas com enriquecimento de O₂, pois a quantidade de O₂ fornecida é crucial.

Chamas reais geralmente requerem excesso de O₂ para combustão completa, devido à mistura imperfeita. Para combustão rica em CH₄, razão < 2; para pobre, razão > 2. A composição do oxidante é importante, comumente especificada pela fração molar de O₂ no oxidante.

Muitos processos industriais operam com ~3% mais O₂ que o teórico para minimizar emissões de hidrocarbonetos não queimados e garantir combustão completa. Excesso excessivo de O₂ desperdiça energia no aquecimento do ar de combustão em vez da carga. É desejável usar apenas o excesso necessário para obter baixas emissões de CO. Exemplo com 3% excesso: CH₄ + (2,06O₂ + 7,75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0,06O₂ + 7,75N₂.

Características da Chama e Combustão Turbulenta

A maioria das chamas industriais é turbulenta, determinada pelo número de Reynolds turbulento (Re). A escala de comprimento turbulenta característica é o comprimento de Kolmogorov (onde ocorre dissipação). A escala de Taylor relaciona taxa de deformação a forças viscosas. Uma chama pode ser: (i) enrugada, (ii) severamente enrugada, (iii) frentes de chama em vórtices, (iv) frente de reação distribuída. O número de Damköhler (Da) adimensional indica o tipo de tempo de reação significativo: razão entre tempo de reação e taxa de fluxo.

Propriedades de Combustão

As propriedades normais usadas em aplicações industriais são: (i) composição dos produtos de combustão, (ii) temperatura da chama, (iii) calor disponível e (iv) volume de gás de escape após combustão. São importantes para calcular a transferência de calor da chama e gases de exaustão para o forno e a carga.

Produtos de Combustão

Variáveis que impactam significativamente os produtos de combustão: composição do oxidante, razão de mistura, temperaturas de pré-aquecimento do ar e combustível, e composição do combustível.

Composição do oxidante – Na combustão de CH₄, a combustão estequiométrica com ar produz >70% vol. de N₂ nos gases de escape. Com O₂ puro, o volume de gases de escape reduz drasticamente pela eliminação do N₂. Em geral, combustão estequiométrica enriquecida com O₂: CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + espécies traço.

A composição real dos produtos depende da composição do oxidante, temperatura dos gases e razão de equivalência (razão entre razão combustível/ar real e estequiométrica). Combustão estequiométrica ocorre quando todo O₂ é consumido, sem O₂ molecular nos produtos.

Processo adiabático (sem perda de calor) não ocorre na prática, pois há perda por radiação. Produtos previstos para combustão adiabática de equilíbrio de CH₄ dependem da composição do oxidante. Processo de equilíbrio (tempo infinito para reações) difere das condições reais (reações em frações de segundo). À medida que N₂ é removido do oxidante, sua concentração nos produtos diminui, enquanto CO, CO₂ e H₂O aumentam. Há CO significativo em altos níveis de O₂ no oxidante.

Radicais H, O, OH aumentam com O₂ no oxidante. NO (óxido nítrico) aumenta inicialmente e diminui após ~60% O₂, desaparecendo com O₂ puro (sem N₂). Combustível não queimado (H₂, CO) e O₂ não reagido aumentam com concentração de O₂, devido à dissociação química a altas temperaturas.

A temperatura real da chama é menor que a adiabática de equilíbrio devido à combustão imperfeita e radiação. É determinada pela capacidade da chama de radiar calor e do sistema (carga, paredes refratárias) de absorver essa radiação. Chamas muito luminosas têm temperatura menor que chamas não luminosas. Temperatura real também é menor quando carga e paredes são mais absortivas radiativamente (temperaturas menores, absortividade maior).

À medida que gases de combustão deixam a chama, perdem mais calor por convecção e radiação na câmara. O objetivo é transferir energia química do combustível para a carga. Quanto mais eficiente termicamente, mais calor é transferido para a carga e câmara, resultando em temperatura do gás na chaminé muito menor que na chama. A composição dos produtos muda com a temperatura do gás.

Razão de Mistura

Concentrações de O₂ e N₂ nos gases de escape diminuem estritamente com a razão de equivalência. H₂O e CO₂ atingem pico nas condições estequiométricas, importantes pois produzem radiação gasosa não luminosa. Combustíveis não queimados (H₂, CO) aumentam com a razão de equivalência, refletindo no calor disponível pois nem todo combustível é queimado.

Temperaturas de Pré-aquecimento do Ar e Combustível

Em muitos processos, calor é recuperado para melhorar eficiência térmica e reduzir custos. Calor recuperado pré-aquece ar de combustão e, às vezes, o combustível. Pré-aquecer ar ou combustível afeta composição dos produtos. CO₂, H₂O, N₂ diminuem no gás de escape com pré-aquecimento do ar, devido à dissociação química. Por segurança e risco de coqueamento nas tubulações, temperaturas altas de pré-aquecimento do combustível não são práticas nem recomendadas na maioria das condições. Há apenas leve diminuição nas concentrações dos componentes maiores e leve aumento nos menores, pois a massa de combustível é pequena comparada à massa de ar de combustão. Pré-aquecer o ar tem impacto muito mais significativo que pré-aquecer o combustível para uma dada temperatura.

Composição do Combustível

Produtos de combustão dependem da composição do combustível. Combustíveis gasosos comuns: H₂, CH₄, C₃H₈ (propano), misturas H₂/CH₄. Em termos de luminosidade: H₂ produz chamas não luminosas, CH₄ produz chamas de baixa luminosidade, C₃H₈ produz chamas de maior luminosidade.

Temperatura da Chama

A temperatura da chama é variável crítica na transferência de calor da chama para a carga. A temperatura adiabática da chama é afetada por composições do oxidante e combustível, razão de mistura, e temperaturas de pré-aquecimento. Temperaturas reais não são tão altas quanto as adiabáticas, mas tendências são comparáveis.

Composição do Oxidante e Combustível

A temperatura da chama aumenta significativamente quando ar é substituído por O₂, pois N₂ atua como diluente reduzindo a temperatura. Há aumento rápido de ar até ~60% O₂, depois taxa menor. Composição do combustível também impacta fortemente. Em mistura H₂/CH₄, temperatura aumenta com teor de H₂, não linearmente, com aumento mais rápido em altos níveis de H₂. Devido ao alto custo do H₂ comparado a CH₄ e C₃H₈, não é usado em muitas aplicações industriais. Combustíveis com alto teor de H₂ são subprodutos de processos químicos, mais baratos que H₂ comprado.

Razão de Mistura

Temperaturas de pico ocorrem em condições estequiométricas. Quanto menor a concentração de O₂ no oxidante, mais a temperatura é reduzida em condições não estequiométricas (rico ou pobre em combustível), devido à maior concentração de N₂ que absorve calor. Em condições estequiométricas, há oxidante suficiente para queimar todo combustível. Oxidante adicional absorve energia sensível e reduz temperatura. Na maioria das chamas reais, pico de temperatura ocorre em condições ligeiramente pobres em combustível, devido à mistura imperfeita. Quase todas as aplicações industriais operam em condições pobres em combustível para garantir baixas emissões de CO. Dependendo do projeto do queimador, a temperatura pode estar próxima ao pico, desejável para maximizar transferência de calor. Problema: maximizar temperatura da chama maximiza emissões de NOx (aumenta exponencialmente com temperatura), levando a conceitos de projeto para reduzir pico de temperatura e minimizar NOx, afetando também a transferência de calor.

Temperaturas de Pré-aquecimento do Oxidante e Combustível

A temperatura adiabática varia com temperatura de pré-aquecimento do oxidante para chamas ar/CH₄ e O₂/CH₄. Aumento é relativamente pequeno para O₂/CH₄, pois o calor sensível do O₂ é apenas fração da energia química do combustível. Para ar/CH₄, pré-aquecer o ar tem impacto mais dramático, pois o aumento de calor sensível é muito significativo devido à grande massa de ar. Temperatura adiabática aumenta rapidamente para chamas ar/combustível em muitos combustíveis.

Calor Disponível

O calor disponível no sistema de combustão do forno é importante na determinação da eficiência térmica geral e fator no cálculo da transferência de calor. É menos eficaz maximizar transferência de calor em sistema com baixo calor disponível inerente. Calor disponível = poder calorífico bruto do combustível - energia levada pelos gases de escape quentes.

Calor disponível bruto (CAB) = poder calorífico do combustível + calor sensível dos reagentes - calor levado pelos PDC saindo do forno. CAB representa calor disponível na temperatura crítica do processo, não o calor disponível para realizar uma função devido a várias perdas. Pode ser critério para comparar diferentes sistemas combustível-combustão.

Em fornos, há perdas governadas por temperatura crítica, espessura do revestimento refratário e condutividade térmica. Calor disponível líquido (CAL) = CAB - perdas de calor. CAL pode ser critério para comparar eficiência de fusão/aquecimento de diferentes fornos.

Calor perdido por aberturas, paredes ou infiltração de ar não é considerado no cálculo do calor disponível teórico, pois dependem do processo. Calor disponível teórico é proporcional à energia absorvida pela carga em processo real, relacionado à eficiência térmica. Portanto, é usado para mostrar tendências de eficiência térmica em função de temperatura de gás de escape, composições de oxidante/combustível, razão de mistura, temperaturas de pré-aquecimento.

Calor disponível varia com temperatura de gás de escape e diminui rapidamente com ela, sendo relativamente independente da composição do combustível. Para maximizar eficiência térmica, é desejável minimizar temperatura de gás de escape, maximizando transferência de calor dos gases para a carga (e paredes) e recuperando calor pré-aquecendo oxidante e/ou combustível.

À medida que temperatura de escape aumenta, mais energia sai do sistema e menos permanece. Calor disponível cai a zero na temperatura adiabática de equilíbrio onde nenhum calor é perdido dos gases. Em sistema CH₄/O₂, mesmo a ~2000°C, calor disponível ainda é 57%. Sistemas CH₄/ar geralmente não são econômicos para processos de alta temperatura. A ~1300°C, calor disponível para CH₄/ar é apenas ~30%. Recuperação de calor via ar pré-aquecido é usada para aumentar eficiência térmica.

À medida que temperatura de escape aumenta, calor disponível diminui. Há aumento rápido inicial no calor disponível conforme concentração de O₂ no oxidante aumenta dos 21% do ar. É uma razão pela qual enriquecimento com O₂ é popular: aumento incremental de eficiência é muito significativo. Eficiência térmica do sistema CH₄/ar dobra quando ar é pré-aquecido a ~1100°C. Para sistema CH₄/O₂, aumento de eficiência por pré-aquecer O₂ é menos dramático, pois eficiência inicial sem pré-aquecimento já é 70% e massa de O₂ não é tão significativa quanto massa de ar. Há também preocupações de segurança com O₂ quente em tubulações, recuperadores e queimadores. Economia de combustível para dada tecnologia pode ser calculada usando curvas de calor disponível.

Volume de Gás de Escape

Vazão de gases através da câmara de combustão é proporcional à transferência de calor por convecção para a carga. Fatores que influenciam: temperatura do gás (gases mais quentes têm vazões reais maiores devido à expansão térmica). Pré-aquecer combustível ou oxidante aumenta temperatura da chama e vazões reais. No entanto, vazão corrigida para condições padrão (STP) é a mesma.

Composição do oxidante tem influência muito forte na vazão. Combustão enriquecida com O₂ remove N₂ do oxidante. Mudança maior comparada a ar/combustível: redução no volume de gás de escape. Para cada volume unitário de combustível, 3 volumes normalizados de gás são produzidos para O₂/combustível vs 10,5 para ar/combustível. Essa redução tem efeitos positivos e negativos, mas efeito na transferência convectiva é redução na velocidade média do gás na câmara e redução resultante na convecção para a carga.

Propriedades de Transporte dos Gases de Escape

Propriedades de transporte dos componentes gasosos na câmara são importantes para determinar transferência de calor e dinâmica de fluidos. Dependem fortemente da temperatura e componentes do gás. Propriedades importantes para transferência de calor em câmaras de fornos industriais variam como funções de composição de combustível/oxidante, razão de mistura, temperaturas de pré-aquecimento do ar. Variação com temperatura de pré-aquecimento do combustível tem efeito mínimo. Composição e temperatura do gás são necessárias para calcular radiação gasosa não luminosa. Propriedades de transporte são necessárias para calcular coeficiente de transferência de calor por convecção, frequentemente na forma de número de Nusselt (Nu). Nu calculado a partir de número de Prandtl (Pr) e Reynolds (Re). Coeficiente 'h' calculado de Nu = hd/k, onde d é dimensão característica e k condutividade térmica do fluido.

Densidade

Densidade do gás usada para calcular Re, necessário para coeficiente convectivo. Também usada para calcular velocidade média do gás na câmara, necessária para coeficiente de convecção. Densidade inversamente proporcional à temperatura absoluta: à medida que temperatura aumenta, densidade diminui. Redução da densidade é aproximadamente proporcional ao inverso da temperatura absoluta. Densidade também diminui rapidamente à medida que teor de O₂ no oxidante aumenta, devido ao aumento de temperaturas da chama. Menor densidade significa menor Re e transferência convectiva reduzida, se outras variáveis constantes. No entanto, vazão mássica também diminui. Velocidade média não é impactada significativamente pelo efeito combinado de menor densidade e menor vazão mássica, então impacto na convecção devido à velocidade é mínimo.

Densidade atinge mínimo em razões de equivalência intermediárias, atribuído à temperatura adiabática de equilíbrio. Densidade diminui quase linearmente com aumento de temperatura de pré-aquecimento do ar, correlacionando inversamente com curvas de temperatura da chama. Densidade não diminui linearmente com composição da mistura gasosa; corresponde inversamente às temperaturas adiabáticas da chama.

Calor Específico

Calor específico do gás (capacidade térmica) impacta transferência convectiva. Usado para calcular Pr, frequentemente usado para coeficiente convectivo. Aumento não linear com temperatura dos produtos de escape; aumenta mais rapidamente em temperaturas altas. Calor específico do gás de escape aumenta quase linearmente com % O₂ no oxidante. Mantidas outras condições, isso melhora transferência convectiva dos gases para a carga.

Relação entre calor específico e razão de equivalência é mais complicada, com forte dependência do combustível. Todos mostram aumento inicial no calor específico com aumento da razão de equivalência, atingindo máximo local em condições estequiométricas. Além disso, diminui, estabiliza e aumenta novamente. Para CH₄, aumento muito rápido em altos valores de equivalência. Embora relação seja complexa, maioria dos processos opera em condições ligeiramente pobres em combustível, onde há relação forte mas mais linear. Para misturas H₂/CH₄, calor específico aumenta rapidamente em altos teores de H₂. Temperatura da chama mostra relação muito similar com teor de H₂ na mistura.

Condutividade Térmica

Como calor específico, condutividade térmica afeta Pr, que afeta coeficiente convectivo. Relação inversa entre condutividade e Pr: à medida que condutividade aumenta (diminui), Pr diminui (aumenta) junto com coeficiente de convecção, assumindo outras variáveis constantes. Condutividade térmica de um gás depende aproximadamente da raiz quadrada da temperatura absoluta. Aumento não linear similar com temperatura ocorre para condutividade.

Condutividade aumenta rapidamente com aumento de O₂ no oxidante. Relação quase linear, com aumento mais rápido em baixos teores de O₂. Relação complicada com razão de equivalência: máximo local em condições estequiométricas. Para H₂, máximo local também é máximo global para ampla gama de razões. Para CH₄, aumento rápido em condições muito ricas em combustível (altas razões), excedendo valor do máximo local. Fenômeno similar para C₃H₈. Embora maioria dos processos opere em condições ligeiramente pobres, ainda há mudança rápida na condutividade no lado pobre da estequiometria.

Relação mais simples entre condutividade e temperatura de pré-aquecimento do ar: condutividade aumenta ligeiramente mais que linearmente com pré-aquecimento. Condutividade aumenta muito mais rapidamente com aumento de H₂ em mistura H₂/CH₄.

Viscosidade

Viscosidade absoluta (dinâmica) mede difusão de momento. Relação similar à condutividade térmica. Importante no cálculo de Pr e Re, mas de formas opostas: à medida que viscosidade aumenta (diminui), Pr aumenta (diminui) e Re diminui (aumenta), assumindo outras variáveis constantes. Viscosidade cinemática relacionada à dinâmica.

Aumento quase linear da viscosidade com temperatura dos produtos de escape. Viscosidade aumenta com teor de O₂ no oxidante, similar à temperatura adiabática. Viscosidade atinge pico em razão de equivalência 1,0 (estequiométrica) e declina quando mistura se torna mais rica ou mais pobre. Viscosidade aumenta com temperatura de pré-aquecimento do ar, comparável à temperatura da chama. Viscosidade aumenta com teor de H₂ em mistura H₂/CH₄; aumento mais rápido em altos teores de H₂.

Número de Prandtl (Pr)

Frequentemente usado para calcular coeficiente de transferência de calor por convecção. Componentes: calor específico, viscosidade, condutividade térmica. Combinação muda como funções de composições de combustível/oxidante, razão de mistura, temperatura de pré-aquecimento do ar. Pouca mudança com temperatura de pré-aquecimento do combustível. Pr diminui com temperatura, mas de forma não uniforme: inicialmente moderadamente rápido, depois mais lento, finalmente rápido em temperaturas altas.

Relação altamente não linear entre Pr e composição do oxidante. Para CH₄ e C₃H₈, Pr diminui rapidamente no início e depois estabiliza em altos teores de O₂. Para H₂, Pr tem mínimo em ~50% O₂. Relação altamente não linear entre Pr e razão de equivalência. Maioria dos combustíveis mostra máximo e mínimo locais. Pr declina quase linearmente com temperatura de pré-aquecimento do ar. Pr diminui com aumento de H₂ em mistura H₂/CH₄, diminuindo rapidamente em altos teores de H₂.

Número de Lewis (Le)

Razão entre difusividade térmica e difusividade molecular (mássica). Importante para transferência de calor em sistemas de combustão. Em geral, para Le > 1, há melhorias na transferência convectiva devido a reações de recombinação química. Le = 1 para temperaturas abaixo de 1200°C (dependendo do combustível), depois sobe rapidamente em temperaturas maiores. Le > 1 para todas as composições de oxidante em condições adiabáticas de equilíbrio (maior temperatura de chama possível). Valores de Le atingem pico em composições intermediárias de oxidante e declinam em altos teores de O₂. Pico dramático em condições estequiométricas, com Le abaixo de 1,0 em altas razões de equivalência. Le aumenta quase linearmente com temperatura de pré-aquecimento do ar em condições adiabáticas. Aumenta mais rapidamente com aumento de H₂ em mistura H₂/CH₄.

Transferência de Calor em um Forno

Fatores que afetam a transferência de calor no forno para a carga:

Fluxo de Calor Dentro da Carga do Forno

Em fornos aquecidos eletricamente onde a carga é usada como resistência ou por indução, as linhas de fluxo concentram-se logo abaixo da superfície. Em processo de aquecimento por combustível, calor entra na carga através de sua superfície (radiação ou convecção) e difunde-se por toda a carga por condução. Esse fluxo requer diferença de temperatura dentro da carga. Fluxo de calor em regime permanente através de carga plana. Para cargas não planas, linhas de fluxo raramente são paralelas e raramente permanentes. Em fluxo transiente, determinação da temperatura em dado tempo e ponto requer método de elementos finitos. Aumentar temperatura do forno (alto "cabeça térmica") ou "aquecimento de alta velocidade" frequentemente resulta em aquecimento não uniforme, exigindo tempo de permanência maior, às vezes derrotando o propósito do aquecimento rápido.

Condutividade e Difusividade Térmica

Há grande variação nas condutividades térmicas de vários metais, afetando diretamente a capacidade de calor fluir através deles, influenciando fortemente distribuição de temperatura ou uniformidade em sólidos. Fator que afeta distribuição de temperatura é a difusividade térmica = condutividade térmica / (calor específico × densidade). Numerador mede taxa de fluxo de calor para volume unitário; denominador mede calor absorvido por esse volume. Com razão maior, calor é conduzido, distribuído e absorvido.

Condutividades e difusividades térmicas de sólidos variam muito com temperatura. Calores específicos e densidades variam pouco, exceto aços em ponto de transição de fase. Condutividades de metais puros sólidos caem com aumento de temperatura, mas ligas sólidas geralmente sobem com temperatura.

Tempo de Atraso (Lag Time)

Efeito da condutividade térmica no fluxo de calor e distribuição interna de temperatura mostrado na Fig. 1 para três placas de mesmo tamanho de ligas ferrosas aquecidas dos dois lados. Temperaturas superficiais sobem rapidamente, mas temperaturas internas sobem diferencialmente devido às piores difusividades. Placas levam tempos diferentes para atingir equilíbrio com temperatura do forno.

Fig 1 Efeito da condutividade térmica no fluxo de calor e distribuição interna de temperatura

Materiais sólidos aquecidos em fornos industriais não são necessariamente contínuos. Muitas vezes, a carga consiste em tiras enroladas ou peças separadas empilhadas. Nesses casos, calor só flui de uma peça para adjacente através de pequenos pontos de contato ou espaços preenchidos por gás, cuja condutividade é muito pequena. Pilha de chapas planas é exemplo de condutância muito baixa. Mesmo pequenas lacunas constituem grande resistência térmica que metal sólido. Pilha não pode ser tratada como sólido, pois finos espaços de ar são isolantes. Diferentes lacunas de ar resultam em não uniformidades ruins de temperatura.

Fluxo de calor rápido em cada peça de carga empilhada só é obtido por circulação de gases quentes através do material por convecção e radiação gasosa. Essas massas de gás devem ser constantemente substituídas por novo gás quente, pois têm baixa massa, baixo calor específico e fina espessura de feixe de gás, resfriando rapidamente sem entregar muito calor. Para aquecimento uniforme e reprodutibilidade precisa, empilhamento de peças deve ser evitado.

Transferência de Calor para a Superfície da Carga do Forno

Na prática de fornos, calor é transferido por três modos: (i) condução, (ii) convecção, (iii) radiação. Essenciais de transferência de calor úteis para projetistas e operadores. A maioria dos fornos industriais usa combustão de combustíveis como fonte de calor. Combustão resulta de cinética de reação química rápida e grande, convertendo energia química em energia sensível (térmica). Aumentar área de superfície de mistura combustível/oxidante ou temperatura dos reagentes causa reações de combustão mais rápidas, geralmente resultando em temperaturas de fonte de calor mais altas. Reações de oxidação de combustível são exotérmicas, podendo desenvolver condição de fuga (energia liberada mais rápido que pode ser removida por transferência de calor), podendo causar explosão.

Chama é região fina de reação química exotérmica rápida. Exemplo: chama de bico de Bunsen. Em bico de Bunsen, fluxo laminar premisto de gás combustível e ar é ignitado por fonte externa, formando zona de reação cônica (frente de chama). Turbulência aumenta espessura e área da zona de reação, resultando em maior velocidade de queima. Velocidade de queima laminar para gás natural ~18 m/min; velocidade turbulenta pode ser 2 a 10 vezes maior. Em chama laminar, expansão térmica da liberação de calor químico pode combinar com reatividade aumentada por temperaturas maiores, resultando em aceleração para chama turbulenta. Exceto chamas luminosas longas, a maioria das chamas industriais é turbulenta.

Transferência de Calor por Condução

Transferência molécula a molécula de energia vibratória, geralmente dentro de sólidos. Transferência apenas por condução para a carga é rara em fornos industriais. Ocorre quando metal frio é colocado em soleira quente. Também ocorre, por curto tempo, quando peça é submersa em banho de sal ou metal líquido.

Se duas peças sólidas estão em contato perfeito (sem camada de carepa, ar ou fluido), superfícies de contato assumem instantaneamente temperatura idêntica entre as temperaturas dos corpos. Gradientes de temperatura dentro dos materiais são inversamente proporcionais às suas condutividades (Fig. 2).

Fig 2 Efeito da condutividade e tempo nos gradientes de temperatura em dois sólidos de diferentes temperaturas e condutividades, em contato firme

Fluxo de calor (taxa de fluxo por unidade de área) depende não só das temperaturas dos dois sólidos, mas também de suas difusividades e configurações. Na prática, comparativamente pouco calor é transferido para (ou extraído de) uma carga por condução, exceto no fluxo de calor de um tarugo para patins refrigerados a água.

Quando peça de metal frio é imersa repentinamente em sal líquido, chumbo, zinco ou outro metal líquido, o líquido congela na superfície do metal frio, e calor é transferido apenas por condução. Após curto tempo, a camada sólida recongela. A partir daí, calor é transferido por condução e convecção.

Transferência de Calor por Convecção

Combinação de condução e movimento do fluido, transportando fisicamente moléculas aquecidas (ou resfriadas) para outra superfície. Se fluxo de fluido gasoso flui paralelo à superfície do sólido, moléculas vibratórias do fluxo transferem energia térmica para ou da superfície.

Uma "camada limite" de fluido estagnado, viscoso, pouco condutor tende a aderir à superfície sólida, atuando como cobertor isolante, reduzindo fluxo de calor. Calor é transferido através das camadas estagnadas por condução. Se velocidade do fluxo principal aumenta, ela "esfrega" a camada limite isolante, tornando-a mais fina, aumentando taxa de transferência por convecção. Condutância da camada limite (coeficiente de filme) é função da velocidade mássica (momento, número Re).

Em fornos operando abaixo de 600°C, transferência por convecção é de grande importância pois radiação é fraca. Queimadores modernos de alta velocidade (alto momento) dão altos coeficientes de transferência por convecção. Altas velocidades frequentemente proporcionam distribuição de temperatura mais uniforme ao redor de peça única ou entre múltiplas peças, pois maior vazão mássica transporta calor sensível adicional em temperaturas mais moderadas. Em baixas temperaturas do forno, altas taxas de transferência total só podem ser obtidas por altas velocidades de gás, pois transferência por radiação a ~550°C é menos que um décimo do que a ~1200°C. Queimadores de alta velocidade são amplamente usados para preencher onde radiação não alcança devido a problemas de sombra.

Transferência de Calor por Radiação

Radiação Entre Sólidos

Sólidos radiam calor mesmo em baixas temperaturas. Fluxo radiativo líquido real transferido para um receptor é a diferença entre calor radiante recebido de uma fonte e calor radiante reemitido do receptor para a fonte. Fluxo radiativo líquido entre corpo quente (fonte) e corpo mais frio (receptor) pode ser calculado por equações de Stefan-Boltzmann.

Emissividade e absortividade são propriedades importantes para radiação entre sólidos. Emissividade é calor radiante emitido por superfície, expresso como decimal da emissão máxima possível (corpo negro) em tempo unitário e área unitária. Emissividade aparente (emitância) é emissividade aparente do mesmo material para área unitária de superfície aparente que é na verdade muito maior, devido a rugosidade, ranhuras, etc. Absortividade é calor radiante absorvido por superfície por tempo unitário e área unitária, expresso como decimal da absorção máxima possível (corpo negro).

Engenheiros usam valor de emissividade 0,85 em fornos convencionais com revestimento refratário. No entanto, temperatura, condição da superfície e liga podem fazer diferença considerável. Exemplo: se tira de aço inoxidável é aquecida em menos de 3 minutos em forno catenário, emissividade pode não mudar mesmo com temperatura subindo de ambiente a 1100°C. Medindo temperatura da superfície da tira e do forno, foi possível revisar cálculos de curva de aquecimento, assumindo que oxidação não mudou emissividade ou absortividade durante ciclo de aquecimento.

Radiação de Chamas Claras e Gases

Duas origens de radiação dos produtos de combustão para sólidos: (i) chama clara e gases, (ii) partículas de fuligem de tamanho micrométrico em chama luminosa. Radiação de gás claro não segue lei da quarta potência de Stefan-Boltzmann. Únicos gases claros que emitem ou absorvem radiação apreciavelmente são aqueles com três ou mais átomos por molécula (gases triatômicos) como CO₂, H₂O, SO₂. Exceção: CO diatômico, que emite menos radiação. Outros gases diatômicos (O₂, N₂, ar, H₂) têm poder radiante desprezível.

Radiação gasosa não segue lei da quarta potência pois gases não radam em todos comprimentos de onda como sólidos (corpos cinzas). Cada gás radia apenas em algumas bandas estreitas. Radiação de gases claros depende de sua temperatura, pressão parcial ou % vol. de cada gás triatômico, e espessura de sua camada de gás.

Temperatura de gás radiante diminui na direção do fluxo. Para manter radiação gasosa ativa, gás deve ser continuamente substituído por novo gás quente, o que também melhora convecção. Velocidades maiores de alimentação de gás reduzem queda de temperatura ao longo do caminho. Fator crítico para manter boa uniformidade de temperatura em fornos industriais de alta temperatura.

Fornos são frequentemente projetados baseados em radiação refratária aquecendo a carga, com resultados geralmente razoáveis, mas algumas situações não podem ser explicadas apenas por radiação refratária. Radiação direta de gases do forno geralmente entrega 62% (±2%) do calor para a carga, e refratários transferem os 38% (±2%) restantes. Temperaturas de gás necessárias para transferir calor para refratário e carga são geralmente muito maiores que o geralmente assumido.

Radiação de Chamas Luminosas

Se porção rica em combustível de mistura ar/combustível é exposta a calor (de parte mais quente da chama), moléculas de combustível não queimado polimerizam ou sofrem craqueamento térmico, formando moléculas pesadas sólidas. Partículas de fuligem brilham quando quentes, proporcionando luminosidade, que aumenta a capacidade radiante total da chama.

Se combustível e ar não são misturados prontamente após saírem do bico do queimador, podem ser aquecidos a temperatura onde hidrocarbonetos craqueiam (polimerizam). Aquecimento adicional leva partículas resultantes a temperatura de brilho. Conforme O₂ se mistura, queimam. À medida que chama prossegue, formação de novas partículas de fuligem pode igualar taxa de combustão de partículas formadas anteriormente. Mais adiante no comprimento da chama, produção de fuligem diminui, e toda fuligem restante é incinerada. Essa série de processos de combustão com mistura retardada deve ser completada antes que gases passem para a chaminé. Se chama ainda é luminosa na entrada da chaminé, fumaça pode aparecer na saída. Fumaça é fuligem resfriada (resfriada, apagada) abaixo de sua temperatura mínima de ignição antes de misturar com ar adequado.

A capacidade radiante adicional de chamas luminosas faz com que se resfriem naturalmente mais rápido que chamas claras. Isso cumpre seu propósito – entregar calor. Fenômeno de resfriamento pode anular parte do ganho da maior luminosidade (emissividade efetiva).

Chamas luminosas frequentemente foram escolhidas porque o comprimento adicional de chamas luminosas de mistura retardada pode produzir distribuição de temperatura mais uniforme em grandes câmaras de combustão. À medida que fornos industriais são supridos com pré-aquecimento de ar de combustão muito alto ou disparo oxi-combustível, chamas luminosas podem permitir aumentos nas taxas de liberação de calor.

Combustíveis com altas razões C/H₂ (maioria dos óleos e combustíveis sólidos) tendem a queimar com chamas luminosas. Combustíveis com baixas razões C/H₂ (maioria dos gasosos) podem ser feitos para queimar com chamas luminosas: (i) mistura retardada, injetando correntes de ar e gás de velocidade igualmente baixa lado a lado, (ii) usando alta pressão para "disparar" núcleo de alta velocidade de combustível através de ar mais lento, de modo que o ar não "alcance" o combustível até que este tenha sido aquecido (e polimerizado) pela fina "manga" de interface de chama anular entre as duas correntes.

Chamas de combustíveis sólidos podem conter partículas de cinza, que brilham, adicionando à luminosidade. Com combustíveis líquidos e gasosos, luminosidade geralmente vem de partículas de C e fuligem brilhantes. Emissividade efetiva da chama, medida, geralmente está entre a dos gases PDC e valor máximo de 0,95, dependendo da área superficial total de partículas sólidas. Normalmente, transferência de calor de chama luminosa é maior que de chama clara com mesma temperatura. Diferença na taxa de transferência é bastante perceptível em fornos para reaquecimento de aço e metais. Diferença torna-se mais pronunciada em alta temperatura, onde poder radiante de cada molécula de gás triatômico aumenta, mas ganho é parcialmente cancelado pela diminuição da densidade de moléculas radiantes por unidade de volume.

Em outro fenômeno, bandas de radiação gasosa mantêm seus comprimentos de onda independentemente da temperatura. Em temperaturas mais altas, área de alta intensidade de radiação sólida (fuligem e partículas de C brilhantes) move-se para comprimentos de onda menores (afastando-se das bandas de gás). Em regimes de alta temperatura, radiação de gases claros não aumenta tão rapidamente quanto radiação de chamas luminosas.

Radiação da chama é função de muitas variáveis: razão C/H₂ do combustível, razão ar/combustível, temperaturas de ar e combustível, mistura e atomização do combustível, espessura da chama. Algumas mudam com distância do queimador. Combustíveis com maior razão C/H₂, como óleos, tendem a produzir mais fuligem, criando chamas luminosas, embora chamas azuis sejam possíveis com óleos leves. Muitos gases têm baixa razão C/H₂, tendendo a queimar claros ou azuis. É difícil queimar alcatrão sem luminosidade. Igualmente difícil produzir chama visível com gás de alto-forno (BF) ou H₂.

Ao comparar chamas luminosas e não luminosas, importante lembrar: (i) radiação de fuligem (luminosa) geralmente termina onde chama visível termina, pois fuligem é frequentemente incinerada na superfície externa da chama, onde encontra ar secundário ou terciário, (ii) radiação de gás (não luminosa) ocorre tanto dentro quanto fora do envelope da chama visível, aumentando muito uniformidade e extensão de sua cobertura, embora radiação dentro da chama seja parcialmente sombreada por partículas de fuligem ou gases triatômicos circundantes, e radiação fora pode ser de gases mais frios.

Efeito de excesso de combustível na radiação da chama é consideravelmente maior que efeito de menos ar em excesso. Méritos e deméritos de chamas claras vs longas chamas luminosas debatidos por anos. Queimadores modificados e esquemas de controle ajudam a utilizar o melhor de ambos. Problema comum a vários tipos de queimadores: mudança na característica da chama quando entrada é reduzida. Problemas com alguns queimadores de chama clara: (i) movimento do pico no perfil de temperatura mais próximo da parede do queimador quando taxa de disparo reduzida, (ii) em taxas menores, temperatura cai mais acentuadamente a maiores distâncias da parede (ex.: perfil de temperatura de queimador a 50% da capacidade ou abaixo está no pico (máxima liberação de calor na ou perto da parede, caindo mais longe). Em taxas menores, queda piora. Em taxas maiores, temperatura da parede do queimador diminui à medida que pico se afasta. Em alguns fornos de reaquecimento de aço em taxa máxima, diferença de temperatura entre parede do queimador e pico pode ser 150°C.

Problema de pico de temperatura na parede oposta durante alto fogo agravado por jato de gases do forno na base da chama, atrasando mistura de combustível com O₂. Se taxa de disparo aumentada, jato de produtos de combustão completa aumenta exponencialmente. Problemas resultantes são muitos. Ao disparar lateralmente forno em baixa taxa, pico de temperatura na parede do queimador, mas em taxa máxima, pico pode estar no centro ou parede oposta. Localização de único sensor de controle de temperatura nunca é correta. Se sensor na parede do queimador, baixas taxas têm pico abraçando parede e levando queimador a baixa taxa, resultando em resto da largura do forno recebendo entrada inadequada. Em altas taxas, sensor na parede está frio enquanto temperatura longe da parede está muito alta, talvez formando carepa líquida nas superfícies das peças de carga no centro e/ou parede oposta. Para remediar, operadores inexperientes baixam ponto de ajuste, reduzindo capacidade de aquecimento.

Outro exemplo: zona inferior de forno de reaquecimento disparada longitudinalmente contrafluxo ao movimento da carga, com sensor de controle instalado a 3-6 m da parede do queimador (disparo final). Em baixas taxas, com zona a 1300°C, parede do queimador pode subir acima de 1370°C. Nessa temperatura, carepa derrete e goteja para piso da zona inferior onde pode solidificar como peça grande. Em altas taxas, pico pode mover-se além do sensor, possivelmente derretendo carepa a distância em direção à extremidade da carga. Novamente, operadores baixam ajustes, reduzindo capacidade.

Controle desses problemas requer sensor de temperatura adicional em cada zona e meio para alterar característica de taxa de mistura do queimador em resposta às medições. Queimadores com rotação (redemoinho) ajustável podem prevenir grande parte do problema, especialmente combinados com jato de gás ou ar de baixo fluxo, fluxo direto, através do centro do queimador. Tal jato tipicamente dimensionado para 5% do fluxo máximo de gás ou ar.

Chamas longas e luminosas, tipo laminar ou turbulento, tendem a ter muito menos pico de temperatura e não mudam comprimento tão rapidamente quando entrada reduzida. Podem ser grandes "niveladores", proporcionando melhor uniformidade de temperatura.

Informação sobre radiação de fuligem na chama e radiação de gás triatômico conhecida há tempo, mas desenvolvimentos recentes podem mudar o quadro. Uso de oxi-combustível (100% O₂), ambos elevam turndown da chama. Ganho principal do oxi-combustível é radiação de transferência de calor mais intensa devido à maior concentração de gases triatômicos, pela eliminação do N₂ dos PDC. Isso também diminui massa de gás levando calor pela chaminé (reduzindo perda na chaminé). Em outro desenvolvimento, algumas chamas de gás pré-misturado pobre (projetadas para baixas emissões de NOx) criam campo de chama ubíquo (aparentemente transparente) através de grande parte da câmara.