PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA
LATINA PARA MITIGAR EL CAMBIO CLIMATICOS - EELA
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE FORNO CERÂMICO TIPO CATENÁRIA
DESENVOLVIDO PELA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REY
Rio de Janeiro - Brasil
Julho - 2011
Ministério da Ciência e Tecnologia
EELA es un programa de COSUDE, ejecutado por Swisscontact y PRODUCE
PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL
CAMBIO CLIMATICOS - EELA
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos dois anos, a UFSJ – Universidade Federal de São João Del Rey em Minas Gerais
vem desenvolvendo a tecnologia de fornos cerâmicos de pequeno porte (câmara interna de
0,6 m3) do tipo catenária (abóbada curva suspensa em duas arestas extremas sustentada sob a
influência do peso de cada segmento retilíneo formado por sucessivas peças – blocos
cerâmicos) com a destinação precípua de processar em pequena escala a queima de produtos
de cerâmica artística e porcelana, envolvendo temperaturas máximas da ordem de 1250 oC,
tanto com a queima de lenha, como com gás liquefeito de petróleo. Dentre as vantagens
pretendidas com o desenvolvimento da estrutura catenária na abóbada do forno estão a
simplicidade construtiva, a rapidez de instalação, o preço relativamente baixo do equipamento
(inferior a R$ 5.000,00, considerando que o próprio ceramista pode produzir os tijolos
isolantes do forno), assim como a modularidade, já que a UFSJ pretende construir fornos em
escala produtiva maior (1 a 2 milheiros de tijolos por fornada), mas seguindo a mesma
geometria e princípios construtivos (ver comentários na Conclusão).
Em paralelo, a tecnologia desenvolvida no forno visa a promover uma queima mais
homogênea e controlada, permitindo a obtenção de altos percentuais de produtos de boa
qualidade, e, principalmente, atingir elevados valores de eficiência térmica e conseqüente
redução do impacto ambiental e econômico promovido pelo menor uso de combustíveis, o
que é de interesse do setor produtivo e da sociedade.
O ensaio realizado por técnicos do INT em conjunto com a UFSJ procurou-se investigar sua
aplicabilidade em operações de queima de produtos cerâmicos mais rústicos, como tijolos e
telhas, cujas temperaturas de processamento, dependendo do tipo da argila, são mais baixas,
da ordem de 850 a 950 oC. Os resultados do teste de eficiência térmica do equipamento
permitiram mostrar que tal objetivo pode ser alcançado com bons níveis de eficiência térmica
e qualidade final do produto, demandando todavia alguns ajustes na forma de operação do
forno e no projeto da câmara e da fornalha do mesmo.
2. METODOLOGIA
A metodologia aplicada visou à avaliação do consumo energético específico do forno catenária
numa operação de queima de tijolos maciços empregando a unidade kcal/kg, ou seja,
mensurando num ciclo completo de queima o consumo total de combustível (madeira de piso
– tacos), a energia térmica envolvida (kcal) e a carga total processada no forno ao longo do
ciclo monitorado (kg), valores que também permitiram avaliar a eficiência térmica do forno a
partir do cálculo do calor útil demandado pela argila processada em função de suas
características físico-químicas e das condições atmosféricas ambientais.
Para tanto, foi realizada a pesagem e o teor de umidade (aparelho marca Testo 606-2) de uma
amostra da carga alimentada no forno (5 peças de tijolo maciço compactado) e, ao fim do
teste, um mesmo procedimento quanto aos tijolos queimados. Foi também realizada a
pesagem e a medição da umidade (mesmo aparelho Testo) de dez peças de taco de madeira, o
combustível alimentado, avaliando-se sua umidade. Quanto ao poder calorífico (superior e
inferior) foram realizados ensaios de umidade em laboratório (Lacol) do INT - Instituto
Nacional de Tecnologia no Rio de Janeiro, assim como novo ensaio, mais preciso que o
realizado em campo, quanto à umidade presente no combustível (tacos de madeira).
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Quanto ao monitoramento das temperaturas de operação do forno, foram instalados
termopares do tipo K na exaustão do forno (base da chaminé), nos lados direito e esquerdo da
câmara do forno, sendo o primeiro deles junto a um tijolo na câmara e, por fim, quanto à
temperatura ambiente, todos eles ligados a um registrador Fluke Data Logger, que monitorou
a evolução das curvas de temperatura nos pontos referidos ao longo do período do ensaio,
que também foi cronometrado manualmente.
3. ENSAIOS E RESULTADOS:
3.1. Pesagem de tacos de madeira utilizados como combustível
Foram pesadas dez amostras de tacos de madeira (piso) com os seguintes valores em gramas:
186,3; 207,8; 197,1; 226,3; 205,0; 175,4; 195,1; 160,0; 172,7; 155,6.
Média: 188,1 g
3.2. Tempo do ensaio
De 6:00 h da manhã às 11: 40 h do dia 21/06/2011, totalizando 5h 40 min, tendo sido realizada
a última alimentação de lenha dez minutos antes do abafamento do forno, efetivado às 11h 40
min.
3.3. Massa total de tacos alimentados no forno ao longo do ensaio
Ao longo do ensaio (5h 40 min), foram alimentadas 425 peças de taco de madeira, permitindo
estimar uma massa total de combustível introduzido no forno de :
(425 x 188,1 g) / 1000 g/kg = 79,94 kg.
Obs: Verificou-se que, se a alimentação de combustível tivesse sido feita de forma mais
equilibrada entre os dois lados da grelha da fornalha, a temperatura interna da câmara do
forno teria evoluído de forma mais rápida, o que poderia ter reduzido a alimentação total
estimada de cerca de 50 peças de taco e cerca de meia hora de operação a menos, o que
levaria a um aquecimento mais rápido da carga do forno.
3.4. Medição da umidade dos tacos de madeira alimentados no forno (medição em
campo e medição no Laboratório de Combustíveis do INT)
Média das medições em campo : 11%
Medição em laboratório: 10%
Obs: Para efeito de cálculo, considerou-se o valor medido em campo (11%) pela pequena
diferença em relação ao resultado obtido em laboratório e pelo fato da madeira ter perdido
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parcela de sua umidade após cinco dias, quando a umidade da amostra foi medida em
laboratório.
3.5. Massa total de madeira seca alimentada no forno
79,94 kg x 0,89 = 71,15 kg
3.6. Poder calorífico inferior do combustível utilizado (tacos de madeira)
Valores obtidos em ensaio de poder calorífico em laboratório (Lacol – INT):
PCS: 4.688 kcal/kg; PCI: 4.370 kcal/kg
Valor usual adotado na literatura para o PCI de lenha: 4.350 kcal/kg.
Obs: Em função da diferença irrisória entre os dois valores (0,45%), adotou-se o valor usado na
literatura técnica.
3.7. Energia total alimentada no forno (Qtotal)
71,15 kg x 4.350 kcal/kg = 309.503 kcal.
3.8. Pesagem da carga introduzida no forno – tijolo maciço úmido
Foram pesadas cinco amostras de tijolo moldado com os seguintes valores em kg:
2,154; 2,126; 2,176; 2,185; 2,202.
Média: 2,169 kg.
3.9. Pesagem da carga extraída do forno – tijolo maciço queimado
Foram pesadas cinco amostras de tijolo queimado (produto final) com os seguintes valores em
quilos:
1,800; 1,816; 1,806; 1,855; 1,831.
Média: 1,822 kg.
3.10. Umidade da carga alimentada no forno (%)
Foram realizadas algumas medições de campo relativas à umidade do tijolo úmido introduzido
no forno através do aparelho Texto 606-2 com o valor médio de 2%.
3.11. Pesagem da carga total a ser processada no forno
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Foram introduzidos no forno 205 tijolos de argila crua, empilhadas de modo espaçado de
forma a permitir a plena passagem dos gases quentes produzidos na combustão de modo a
otimizar a troca de calor com a carga e sua homogeneidade de temperatura ao longo do
processo de queima. Assim, a carga total introduzida no forno foi de:
205 peças x 2,169 kg/peça = 444,65 kg, sendo 8,89 kg de água (2%) e 435,76 kg de argila seca.
3.12. Pesagem da carga total processada no forno (tijolos queimados)
205 peças x 1,822 kg/peça = 373,51 kg.
3.13. Perda de massa (água, matéria orgânica e outros) na queima da carga
(444,65 – 373,51) kg = 71,14 kg
3.14. Perda percentual de massa da carga na queima
(71,14 / 444,65) x 100 = 16%.
3.15. Dimensões externas iniciais (comprimento, largura e altura) das peças de
tijolo úmido
Foram medidas as três dimensões referidas em cinco peças com os seguintes resultados
médios – C: 22,0 cm; L: 11,0 cm; A: 5,0 cm.
3.16. Volume unitário e total carga úmida do forno
Volume médio por peça: 1,21 dm3.
Volume total: 1,21 dm3/peça x 205 peças = 248,1 dm3.
3.17. Dimensões externas finais das peças de tijolo queimado
As três dimensões referidas em cinco peças de tijolo queimado foram as seguintes –
C: 21,5 cm; L: 10,5 cm; A: 5,0 cm.
3.18. Volume unitário e total carga úmida do forno
Volume médio por peça: 1,13 dm3.
Volume total: 1,13 dm3/peça x 205 peças = 231,7 dm3.
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3.19. Retração dimensional
((248,1 – 231,7) dm3 / 248,1 dm3) x 100 = 6,6%
3.20. Relação volume da carga versus volume da câmara do forno
Volume da câmara: 0,60 m3
Volume da carga úmida: ~0,25 m3
Percentual de ocupação: (0,25/0,60) x 100 = ~42%
Obs: Verificou-se que o volume da câmara do forno poderia comportar um carregamento
entre 60 e 70%, considerando o tipo de tijolo processado e o espaçamento realizado, o que
teria grande influência nos dados de desempenho final do forno, considerando-se que a carga
térmica absorvida pela estrutura do forno seria a mesma.
3.21. Variação da temperatura ambiente (ºC)
Hora
Temp. ambiente (oC)
Umidade relativa (%)
6:00 h
10
55
9:00 h
13
50
10:00 h
15
45
11:00 h
18
43
12:00 h
21
38
Temperatura média no transcorrer do ensaio: 13 oC.
Obs: A temperatura atmosférica durante o ensaio do forno foi razoavelmente abaixo da média
esperada para uma operação usual do forno, gerando condições mais adversas para a
obtenção de bons resultados de desempenho térmico do equipamento.
3.22. Calor útil demandado pela argila
Para uma argila processada no forno a 13 oC (Ta) e com 2% de umidade (M a = 8,89 kg),
queimada a 950oC (Tm), com calor específico de 0,26 kcal/kg oC (Carg) - valor obtido na
literatura), calor de reação da argila (L r) de 25 kcal/kg, também obtido na literatura técnica,
considerando calor latente de vaporização da água, à pressão atmosférica, de 539 kcal/kg (L v),
massa de argila (Marg) de 435,76 kg e os calores específicos do vapor d’água à pressão
atmosférica de 0,48 kcal/kgoC (Cv) e da água de 1,00 kcal/kg oC (Ca), calcula-se o calor teórico
necessário para a queima da argila com o valor de:
Qútil = qágua + qargila + qreação
qágua: Ma [ Ca (100 – Ta) + Lv + Cv (Tm – 100)] = 9.192 kcal.
qarg: Marg Carg (Tm – Ta) = 106.160 kcal
qr: Marg Lr = - 10.894 kcal.
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sendo Ma a massa de água, Ca o calor específico da água, T a a temperatura ambiente, L v o calor
latente de vaporização da água, C v o calor específico do vapor d’água e T m a temperatura
máxima de queima. Assim, o calor total útil necessário à queima da argila alimentada no forno
é de:
Qútil = 104.458 kcal
3.23. Eficiência térmica do forno durante o ensaio
Ef. térmica = Qútil/ Qtotal = (104.458 kcal / 309.503 kcal) x 100 = 33,8%.
3.24. Eficiência térmica do forno em condições otimizadas de operação
Em função do baixo carregamento do forno, 42% em volume, quando poderia ter sido de 60 a
70% (na simulação adiante, consideraremos 65% ou 317 tijolos maciços - 687,57 kg de tijolos
úmidos, sendo 673,82 kg de argila seca e 13,75 kg de água presente na argila), da baixa
temperatura ambiente (média de 13 oC) e da alimentação irregular durante a primeira etapa de
operação do forno (diferenças de temperatura de até 20% entre as partes frontal e anterior da
câmara, condição que teria exigido cerca de 30 minutos a mais de operação e cerca de 12% a
mais na alimentação de combustível, calculou-se a seguinte condição ideal (temperatura
ambiente de 25oC) para a queima de tijolos maciços no forno catenária:
Tempo de operação: 5h 10 min
Combustível alimentado: 374 peças de taco de madeira
Energia térmica introduzida no forno: 272.363 kcal
Calor absorvido pela água (qágua): 14.053 kcal
Calor absorvido pela argila (qarg): 162.054 kcal
Calor de reação (qr): - 16.846 kcal
Calor útil (Qútil): qágua + qarg + qr = 159.261 kcal
Eficiência térmica: Qútil/Qtotal = (159.261 kcal / 272.363 kcal) x 100 = 58,5%.
3.25. Calor útil específico demandado pela argila nas condições de ensaio
Qútil: 104.458 kcal / 444,65 kg = 234,9 kcal/kg.
3.26. Calor útil específico demandado pela argila nas condições otimizadas
Qútil: 159.261 kcal / 687,57 kg = 231,6 kcal/kg.
3.27. Consumo energético específico do forno nas condições de ensaio
Cenerg esp = (234,9 kcal/kg)/0,338 = 695 kcal/kg.
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3.28. Consumo energético específico do forno nas condições otimizadas
Cenerg esp = (231,6 kcal/kg)/0,585 = 396 kcal/kg.
4. CONCLUSÃO
As condições de temperatura do ar ambiente (muito frio) e de baixo carregamento do forno
(35% abaixo da capacidade nominal) fizeram com que os dados de desempenho térmico do
forno tenham sido apenas razoáveis. Considera-se que o carregamento ideal desse forno seja
da ordem de 60 a 70% do volume da câmara. Outros aspectos que conspiraram para um
resultado limitado na queima do forno foram a forma de carregamento e espaçamento interno
da carga, de modo a otimizar a circulação de gases quentes e a troca interna de calor, visando
a uma maior homogeneidade na distribuição de calor dentro do forno, assim como a
possibilidade de alimentação mais regular da fornalha, de modo a impedir exageradas
diferenças de temperatura na câmara e atingir menor tempo de operação na fornada, que no
teste foi de 5 h e 40 minutos, mas que poderia ter sido menor em cerca de 30 minutos no
mínimo, o que redundaria em menor demanda de combustível.
Considerando a possibilidade de queima de uma carga de tijolos em volume 50% maior (308
peças), aproveitando melhor o volume interno da câmara, sob uma temperatura ambiente por
volta de 30oC e empregando-se argilas com melhores propriedades (menor granulometria e
mais fundentes, admitindo temperaturas de queima abaixo de 900 o C), considera-se possível
que o referido forno opere melhores índices de desempenho energético, o que poderia ser
constatado numa próxima e otimizada experiência de queima no forno.
De qualquer forma, a partir dos dados obtidos no ensaio, verificou-se que o forno catenária
desenvolvido pela UFSJ apresenta boas possibilidades de difusão no setor de cerâmica
vermelha quanto ao segmento das micro-empresas por sua boa homogeneidade de queima da
carga, bom nível de eficiência térmica, baixo custo, simplicidade construtiva e, principalmente,
pela possibilidade de aumento de escala produtiva com sua ampliação dimensional para
processamento de um a dois milheiros por fornada. Para tanto, é importante que esse
aumento de escala produtiva seja bem estudado por sua equipe de projeto, uma vez que o
simples crescimento linear do comprimento do forno, mantidas as outras dimensões, poderá
criar dificuldades na operação da fornalha no que diz respeito à sua alimentação contínua
durante o processo de queima, podendo comprometer a homogeneização da temperatura da
carga do forno. Acreditamos que o aumento de capacidade do forno seja mais facilmente
obtido com o aumento da altura da câmara, permanecendo a fornalha com o comprimento
atual ou pouco maior, o que tornaria a operação facilitada em relação ao aumento linear do
comprimento o forno e, conseqüentemente, da fornalha.
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ANEXOS
1 - Curva de aquecimento do forno
A curva traçada apresenta o aquecimento do forno desde o início da operação
Forno Catenária
1.200
Abafamento às 11h35min
Temperatura (°C)
1.000
800
600
400
200
0
6:00
5:30
5:00
4:30
4:00
3:30
3:00
2:30
2:00
1:30
1:00
0:30
0:00
Tempo Transcorrido (hh:mm)
Frente
Chaminé
Atrás
2 - Temperaturas registradas durante a queima dos tijolos
Tempo Transcorrido
(hh:mm)
0:00
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
0:30
0:35
0:40
0:45
0:50
0:55
1:00
1:05
1:10
1:15
1:20
1:25
Frente
13,7
14,0
13,8
13,9
15,7
16,1
15,8
15,6
15,7
21,9
27,2
36,5
53,2
60,7
62,1
68,1
81,8
90,8
Temperaturas Registradas (ºC)
Chaminé
Atrás
14,3
12,9
14,4
12,9
14,3
13,1
14,4
24,5
14,7
42,2
15,1
45,8
15,4
73,8
15,2
71,5
15,4
69,5
21,4
66,8
27,2
97,1
32,1
89,4
45,2
116,7
74,5
137,9
82,4
133,9
73,6
144,9
73,7
173,1
84,0
132,0
Ambiente
10,1
10,2
10,1
9,7
9,7
9,7
10,0
9,8
9,9
9,9
10,3
10,0
10,3
10,4
10,7
10,5
10,6
11,0
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Tempo Transcorrido
(hh:mm)
1:30
1:35
1:40
1:45
1:50
1:55
2:00
2:05
2:10
2:15
2:20
2:25
2:30
2:35
2:40
2:45
2:50
2:55
3:00
3:05
3:10
3:15
3:20
3:25
3:30
3:35
3:40
3:45
3:50
3:55
4:00
4:05
4:10
4:15
4:20
4:25
4:30
4:35
4:40
4:45
4:50
4:55
5:00
5:05
5:10
5:15
5:20
5:25
5:30
5:35
5:40
5:45
Frente
194,8
169,6
212,8
205,6
172,2
197,3
232,8
270,2
247,9
303,1
281,6
287,6
295,8
369,8
356,1
383,2
393,9
414,6
420,7
437,2
462,3
500,7
505,2
575,2
571,4
599,0
555,6
609,0
624,3
624,3
617,2
626,2
713,0
742,4
740,7
750,5
795,9
830,8
828,3
851,8
841,5
859,8
857,5
838,9
857,7
891,0
909,0
929,9
962,6
959,5
978,8
984,0
Temperaturas Registradas (ºC)
Chaminé
Atrás
75,9
135,5
70,1
118,9
79,8
139,2
76,5
140,4
71,3
126,0
77,1
132,3
83,2
144,6
97,0
169,3
101,6
206,5
110,6
208,6
106,6
205,7
113,1
207,5
124,9
233,5
143,4
237,9
149,7
247,4
154,1
257,7
159,2
254,5
157,9
261,8
164,5
274,1
173,8
282,1
191,8
317,1
197,7
314,1
193,7
305,1
213,0
342,8
210,1
331,2
217,4
349,6
213,3
344,8
223,5
358,1
230,5
370,3
231,9
372,8
241,6
407,2
253,7
458,3
262,7
458,3
273,8
480,4
279,8
511,6
286,9
551,1
296,1
576,2
305,9
575,3
317,3
595,5
325,3
610,7
330,1
614,1
340,6
629,6
344,9
639,9
350,8
646,4
365,2
672,0
378,4
688,1
394,3
722,6
404,4
762,7
422,1
787,4
434,3
813,3
448,8
845,0
457,8
911,8
Ambiente
10,9
10,7
10,9
11,4
11,4
11,0
11,1
11,5
11,5
11,4
11,4
11,8
12,2
12,0
12,6
13,2
13,0
12,3
12,5
13,4
13,3
12,7
12,7
14,7
12,7
13,8
14,8
15,4
15,4
16,0
15,5
15,9
16,0
16,7
17,3
19,4
17,8
19,0
19,9
19,7
21,0
20,4
20,4
22,6
22,5
21,5
22,7
23,0
23,6
23,3
23,8
23,7
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Tempo Transcorrido
(hh:mm)
5:50
5:55
6:00
6:05
10:15
10:20
10:25
10:30
10:35
10:40
10:45
10:50
10:55
11:00
11:05
11:10
11:15
11:20
11:25
11:30
Frente
961,8
939,9
918,5
897,2
434,2
425,7
313,8
284,7
322,9
299,8
261,7
249,9
227,5
233,6
236,5
223,5
218,2
220,2
219,9
201,8
Temperaturas Registradas (ºC)
Chaminé
Atrás
426,8
817,8
422,9
865,8
425,4
838,5
420,8
852,0
292,3
382,9
287,6
349,8
272,8
237,5
267,0
168,3
259,7
156,0
254,6
141,0
249,1
168,0
242,9
146,0
238,2
154,4
232,1
155,6
227,6
134,3
222,8
111,4
217,9
107,7
213,4
116,5
208,4
110,0
204,6
97,1
Ambiente
25,5
25,2
25,0
27,2
25,2
25,1
25,5
24,6
24,5
24,2
25,8
24,3
24,6
24,4
24,3
23,8
23,6
23,1
21,3
21,0
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3 – Fotos da fornada de tijolos
Carga de tijolos e lenha utilizada
Carga de tijolos e forno
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Fornalha e chaminé do forno
Carregamento do forno e detalhe da entrada da chaminé
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Detalhe da fornalha e início da carga do forno
Carregamento do forno e tijolos a serem introduzidos
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Arranjo final da carga de tijolos
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Forno fechado e em processo de aquecimento
Final do processo de queima - observação dos tijolos na visita da parte traseira do forno
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Forno abafado após final da queima
4 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Fluke Hydra Series II modelo 2625A
Termômetro digital, sensor tipo K – Salvterm 1.200 k
Medidor de Umidade Texto 606-2
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