Elemento de aquecimento de carbeto de silício que economiza energia

Elemento de aquecimento de carbeto de silício que economiza energia

Fig. 5. Forno de Laboratório

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

 

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