Os princípios da chama pulsada

Fig. 1. Ganhos de eficiência não relacionados ao método de chama

A chama pulsada é um método de controle do aquecimento da combustão desenvolvido na Europa no início da década de 70. O número de aplicações de queimadores com chama pulsada na América do Norte tem crescido de forma constante desde a década de 90. Este artigo discute os princípios da chama pulsada e de como é aplicada aos fornos de tratamento térmico

O primeiro objetivo de um forno é fornecer calor ao produto ou carga, desta forma, um conhecimento básico das características desejadas do forno para a transferência de calor ajuda no entendimento do porquê e como a chama pulsada pode ser benéfica.

Transferência de Calor no Forno

A eficiência térmica é medida por quanto de calor a carga recebe proveniente do queimador. É importante isolar os fatores que estão relacionados com o método de chama do queimador (pulsado x amplitude modulada) quando se faz comparações. O diagrama Sankey, na Fig. 1, ressalta métodos para aumentar a eficiência que não estão relacionados com o método de chama do queimador, tais como:

– Redução das perdas por exaustão com os trocadores de calor para pré-aquecer o ar de combustão do queimador;
– Redução das perdas pela parede aumentando e mantendo a isolação das paredes;
– Redução das perdas por aberturas, mantendo as portas seladas e o controle da pressão do forno;
– Redução do armazenamento de calor, instalando isoladores de baixa massa térmica em fornos intermitentes, onde as temperaturas são regularmente variadas.

A transferência de energia proveniente da chama e dos gases quentes da combustão para a carga depende da diferença de temperatura e das barreiras que impedem a transferência. Assim, os ganhos de eficiências que estão relacionadas com o método de chama do queimador estão correlacionados com o excesso de ar e velocidade.

Excesso de Ar

O excesso de ar é a quantidade de ar acima daquela necessária para a combustão completa do combustível. Ele pode vir do queimador, das aberturas no forno ou ser injetado propositadamente para agitar o ambiente, obtendo-se assim uma temperatura uniforme por todo o forno. O excesso de ar atua como uma carga de calor adicional porque ele também deve ser aquecido. Portanto, quanto mais ar em excesso, mais combustível é necessário. O ar em excesso reduz a temperatura da chama e dos produtos da combustão e, portanto, a taxa de transferência de calor também é reduzida.

Velocidade

A velocidade é a taxa de movimentação dos produtos da combustão expelidos na saída do queimador. Gases quentes da combustão quando mais rápidos fornecem mais massa aquecida para as superfícies da carga. O fluxo de massa mais elevado transporta mais calor ao longo de toda a distância da carga antes do fluxo de resfriamento, e, como resultado, a diferença entre a temperatura e a taxa de transferência de calor é aumentada.

Em alguns projetos, a alta velocidade provoca uma limpeza da superfície da carga, reduzindo a espessura da camada de ar morto preso por atrito superficial. Esta camada morta atua como uma barreira isolante. Portanto, reduzindo esta espessura há uma melhora na transferência de calor.

Outra vantagem da maior velocidade é a agitação da atmosfera do forno, nivelando a temperatura em todo o volume do forno. Este efeito é demonstrado na Fig. 2, no qual o fluxo de ar de alta velocidade da chama se espalha por todo o ar circundante. O arrastamento pode ser de 10 vezes o volume da velocidade de saída do queimador a 150 metros por segundo. A qualidade da produção exige que todas as partes da carga, não importa onde elas estejam localizadas no interior do forno, alcancem e fiquem na temperatura desejada. Bons lucros vêm de uma produção rápida, com aquecimento rápido da carga até a temperatura desejada. Portanto, a uniformidade e as altas taxas de transferência de calor são características importantes do forno.

Modulação

A função primária de um sistema de controle da combustão é variar o calor de entrada de forma a manter a temperatura desejada. O calor de entrada é ajustado basicamente por dois métodos: amplitude ou frequência modulada.

Controle por Modulação da Amplitude

Com o método de controle por amplitude modulada, os queimadores são regulados entre alta e baixa chama de uma forma continuamente variável, como mostrado na Fig. 3. Normalmente, uma válvula borboleta ou algum tipo de controle de fluxo variável ajusta as quantidades de combustível e de ar que irão para o queimador, atingindo uma taxa de queima (Btu/h ou kW) que mantenha a temperatura da carga.

Este método tradicional necessita de queimadores com boa abertura (taxas alta x baixa) para encontrar o calor de entrada da maioria das aplicações. Para fornos grandes, um grupo de queimadores é ativado e controlado de forma conjunta. Este método oferece um bom controle e flexibilidade por um preço razoável quando são utilizados queimadores com abertura suficiente.

Controle por Frequência Modulada (Pulso)

Com o método de controle por frequência modulada (chama por pulso), os queimadores são comutados entre dois estados e o ciclo dos queimadores controla a entrada de calor para o processo.

Os queimadores iniciam-se em alta chama por um tempo determinado e, em seguida, mudam ou para chama baixa (controle alto-baixo) ou desligado (controle ligado-desligado, on-off). Este ciclo vai se repetindo com bastante frequência e em alguns modelos o ciclo é de seis segundos. Taxas cíclicas mais rápidas melhoraram a uniformidade da temperatura a um custo reduzido da vida útil do equipamento. O tempo mínimo entre ligar e desligar depende do tempo de resposta e dos atrasos dos dispositivos de controle, tais como a salvaguarda da chama, atuação da válvula e a ignição do queimador. A demanda de calor de entrada determina o ciclo imposto, que é o tempo em que o queimador estará em fogo alto e depois em fogo baixo (ou off). A Tabela 1 mostra o tempo de quatro queimadores – B1 a B4 – com sequência de chama pulsada com três taxas de entrada de calor diferentes.

O método on-off de controle da chama pulsada permite o uso de queimadores com aberturas limitadas em sistemas que necessitam de aberturas maiores do que é possível com o controle de amplitude modulada. Com válvulas de controle individuais em cada um dos queimadores é possível controlar o ciclo de cada queimador de forma independente para uma melhor flexibilidade de controle. Uma comparação generalizada dos métodos de modulação é apresentada na Tabela 2. Entretanto, estes ranqueamentos são sujeitos a debates devido às características específicas e componentes de controle que podem ser adicionados a qualquer sistema para melhorar as deficiências.

Segurança e Procedimentos

Há duas normas de aplicação predominantes que precisam ser consideradas quando se aplica a chama pulsada aos fornos. Os EUA seguem a NFPA 86 e a União Europeia segue a EN746-2. Os demais países adotam uma destas normas ou criam as suas próprias normas. As normas deveriam ser analisadas antes de se fazer o projeto, as compras e as decisões operacionais. Uma condição interessante com a chama pulsada e com o modo on-off é quando o forno está abaixo de 750°C e os queimadores estão desligados. Durante o tempo em que está desligado, uma falha na válvula levaria a combustível não queimado. Quando todos os queimadores de uma zona são desligados, as normas, em geral, exigem uma purga antes que qualquer queimador seja novamente ligado. A norma europeia tem exceções específicas a esta purga para o caso do equipamento com chama pulsada. A norma americana limita o tempo desligado baseada em cálculos com uma taxa definida de escape da válvula de gás. De forma adicional, a NFPA (National Fire Protection Association, EUA)exige programações de manutenção avançadas e monitoramento do uso.

Há outra exigência em relação ao tempos dos ciclos. O tempo mínimo ligado é determinado por uma chama de proteção. Ela precisa ter um tempo de atraso para o início antes de energizar a ignição e a válvula de saída de gás. O tempo ligado tem de ser maior que o tempo para o teste da ignição (primeiro tempo de segurança) mais o tempo de resposta da chama à falha. Caso contrário, cada tentativa subsequente de acender o queimador que não produzir uma chama produzirá volumes discretos de combustível não queimado dentro do forno sem alcançar o alarme de fogo de proteção e a condição de bloqueio. Eventualmente, esses bolsões de combustível não queimado poderão coletar ar e se misturar com ele no forno, podendo causar uma explosão.

Considerações Quanto à Seleção do Equipamento

No coração de um sistema por chama pulsada estão as válvulas das linhas de ar e de gás para cada queimador. As válvulas selecionadas precisam ser projetadas especificamente para aplicações de chama pulsada. Com uma frequência de 10 ciclos por minuto, 12 horas por dia, 5 dias por semana, as válvulas estarão sujeitas a 36.000 ciclos por semana ou 1.8 milhão de ciclos por ano. As válvulas solenoides padrão aguentariam cerca de 6 meses sob estas condições. Essas altas taxas de ciclo também se aplicam aos dispositivos de controle e seus contatos.

O tempo de vida de um contato depende do número de operações, o fluxo de corrente e o tipo de carga. Infelizmente, válvulas solenoides e transformadores de ignição são altamente indutivos e criam faíscas nos contatos. Estas faíscas corroem os contatos do metal e encurtam sua vida. A vida do contato pode ser aumentada por intermédio da instalação de supressores de arco. Para assegurar que o ar está fluindo pelo queimador no momento da ignição, a válvula de ar tem de ser montada perto da entrada de ar do queimador. Também é algo crítico a instalação de um regulador de proporção em cada queimador para minimizar as variações da relação ar-gás.

É importante que o regulador principal de alimentação de gás seja adequadamente dimensionado. Uma variação excessiva da pressão de entrada dentro do regulador de proporção pode afetar a confiabilidade da ignição. Estão disponíveis diversos controladores dedicados para a configuração específica de pulso. Esses controladores oferecem as vantagens de um projeto compacto, necessitando de uma mínima programação pelo usuário.

Muitos sistemas de gerenciamento do queimador de chama pulsada são construídos com um controlador lógico programável (CLP). Estes sistemas podem oferecer mais funcionalidade e personalização que os controladores especializados. Um único CLP com poder de processamento suficiente pode controlar a sequência de pulso e também todas as outras funções do forno. Se o CLP for de uma marca já utilizada pela planta, então o pessoal de manutenção já estará treinado e familiarizado com ele. Isso faz com que a configuração e a solução de problemas deste equipamento sejam muito mais fáceis. Tanto com um controlador especializado ou com um CLP, devem ser feitos ajustes para reduzir o acúmulo no número de ciclos ao mesmo tempo em que mantenha uma estabilidade aceitável da temperatura do processo.

Conclusões

Em aplicações específicas, uma vantagem significativa pode ser alcançada quando for aplicada de forma correta a tecnologia de chama pulsada. Assim como em qualquer outra tecnologia, um entendimento sólido dos conceitos básicos ajuda a atingir uma implementação de sucesso. Este artigo introduziu alguns destes conceitos, os quais deveriam ser seguidos conjuntamente com uma forte relação de trabalho entre o usuário e o fornecedor do equipamento.

Para mais informações, contate: Dan Curry, gerente de desenvolvimento de produto- controles, Eclipse; tel: +1 815-637-7265; e-mail: dcurry@eclipsenet.com; web: www.eclipsenet.com.

 

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