Duplicando a eficiência com a supercondutividade

Avanços tecnológicos tornaram o aquecimento por indução alimentada por Corrente Contínua (CC), uma alternativa comercialmente viável em algumas aplicações, quando comparado ao aquecimento por indução por Corrente Alternada (CA) convencional.

O aquecimento por indução convencional CA tem sido utilizado na indústria desde os anos 20. Em 1990, um novo conceito emergiu para o aquecimento por indução por CC com o uso de poderosos eletromagnetos. As tecnologias de cabos magnéticos e o acionamento de motores disponíveis naquela época, entretanto, não permitiram a incorporação econômica do conceito. A partir do surgimento comercial dos cabos supercondutores de alta temperatura (high-temperature superconductors - HTS) e dos avanços em acionamentos a estado sólido, este conceito de quase 20 anos de existência torna-se agora um produto comercialmente viável.

Princípios de Funcionamento

O aquecimento por indução depende de correntes parasitas induzidas para aquecer um objeto condutor. Quando um material condutor é exposto a um campo magnético de tempo variável, correntes elétricas – correntes parasitas – são induzidas no material. Em um aquecedor de tarugo por indução convencional, uma bobina eletromagnética feita de cobre envolve o tarugo metálico (Figura 1). Quando uma corrente alternada é aplicada à bobina de cobre, um campo eletromagnético é gerado e, como conseqüência, correntes parasitas são induzidas no tarugo aquecendo-o devido a sua resistência – fenômeno denominado Efeito Joule.

A bobina eletromagnética é geralmente feita de tubulação de cobre resfriada a água, uma vez que a alta corrente na bobina de excitação de cobre engendra em perdas ôhmicas e, por este motivo precisa ser resfriada para prevenir que se derreta. O aquecimento da bobina de cobre é a principal fonte de perda de energia nesta abordagem. Esta perda de energia é dada pela proporção das resistências da bobina de cobre e do tarugo de metal. Uma vez que a bobina de cobre e um metal não ferroso apresentam resistividade muito similares, a energia é dividida de forma equivalente entre eles. Este efeito é ampliado pelo fato de sermos obrigados a posicionar a bobina de indução o mais próxima possível do tarugo, desta forma o condutor recebe aquecimento adicional do tarugo já aquecido. Por este motivo, a eficiência do aquecedor por indução convencional CA para o aquecimento de alumínio ou cobre atinge apenas os 50% ou menos. Além da pouca eficiência dos aquecedores por indução convencionais CA, o usuário necessita providenciar compensação VAR considerável para o circuito oscilante, a fim de aumentar o fator de potência e reduzir perdas das utilidades. Finalmente, esses circuitos requerem ajustes nas alterações de dimensões do tarugo, ligas e potência de aquecimento.

        Todas essas lacunas não se aplicam aos arranjos do supercondutor conforme descrito na Figura 1. Em um aquecedor por indução supercondutora CC, supercondutores muito eficientes eletricamente são utilizados para a criação de um grande campo magnético CC. A supercondução é um fenômeno que ocorre quando certos materiais são resfriados para temperaturas baixas, resultando em grandes correntes elétricas que fluem praticamente sem resistência. Por este motivo, são necessários menos de 200 W de energia para criar um campo magnético para aquecedores por indução CC. O campo permanece CC e não apresentará variações, entretanto, a peça precisará mover-se para que sejam criadas correntes parasitas. Assim, rota-se o tarugo. A rotação induz correntes parasitas no tarugo, o qual trabalha em movimento oposto ao da rotação. Este é também o princípio do freio magnético por indução. O grande torque de travagem é superado pelo uso de motores grandes e eficientes (exemplo: tamanho de 200 kW -400 kW). A partir da rotação do tarugo, a energia utilizada pelos motores é transferida para o tarugo, o qual é aquecido por correntes parasitas. A fonte de energia, portanto, não está na bobina que produz o campo magnético, porém nos eficientes motores. Toda energia utilizada para fazer rotar o tarugo é transferida para seu aquecimento. As poucas perdas se resumem à eletrônica, ao sistema de acionamento de motores, bem como quanto ao sistema de resfriamento do indutor. Porém o resultado total do maquinário quanto a eficiência energética é superior a 80%. O consumo típico para o aquecimento de alumínio é de 150 kWh por tonelada métrica de tarugos aquecidos nesta configuração, a qual é ainda melhor se comparado com a utilização de fornos a gás altamente eficientes.

Vantagens do Aquecedor por Indução HTS

Além da óbvia vantagem quanto à significativa eficiência em energia se comparada ao aquecimento por indução convencional, há outras vantagens em relação a esta inovadora abordagem, como qualidade do produto, repetibilidade e facilidade na operação, detalhadas a seguir.

Vantagens quanto à Qualidade do Produto

Nos aquecimentos por indução convencionais de 50-60 Hz, as correntes parasitas encontram-se basicamente localizadas na superfície do tarugo, devido ao fenômeno denominado “efeito superficial”, o qual é compreendido como uma intensa função da frequência. A penetração da corrente parasita aumenta na medida em que a frequência diminui ou que o campo magnético aumenta, resultando em um aquecimento mais uniforme. O aquecimento por indução convencional geralmente depende de uma linha de frequência de 50-60 Hz, ao passo que a abordagem do tarugo em rotação aqui descrita utiliza uma velocidade de rotação de aproximadamente 240-600 RPM, a qual corresponde a 4-10 Hz. Os benefícios do aquecimento mais profundo estão ilustrados nos resultados experimentais apresentados na Figura 2.

Na Figura 2, mostramos os resultados de um experimento utilizando termopares e furos em um tarugo de latão. Um dos termopares está localizado na linha central do tarugo, enquanto o outro está localizado bem próximo à superfície. Durante o aquecimento, o tarugo é paralisado quatro vezes até atingir os 675 ºC. A cada parada, realiza-se a leitura e o registro dos dois termopares. Conforme demonstrado, os dois termopares registram a mesma temperatura, até mesmo para o latão, que possui condutividade térmica muito inferior se o compararmos ao alumínio ou ao cobre. Em um sistema convencional de aquecimento por indução, a superfície apresenta-se mais quente que o centro durante o aquecimento (devido ao efeito superficial mencionado anteriormente), tornando-se necessário o encharque do tarugo para que alcance o equilíbrio térmico. No sistema de indução por rotação do tarugo, ilustrado graficamente na Figura 3, o encharque não é necessário, desta forma o aquecimento e a capacidade de processamento acontecem de forma mais rápida.

Vantagens na Repetibilidade

Além do aquecimento mais uniforme, a técnica do tarugo em rotação descrita acima proporcionou resultados com temperaturas possivelmente repetíveis de tarugo a tarugo. Isto se deve ao fato de que a uniformidade das temperaturas radial e axial é estabelecida, de imediato, durante o processo de aquecimento e não após a remoção do tarugo do forno. Desta forma, conforme demonstrado na Figura 4, a variação de temperatura do tarugo é reproduzível a +/- 4 ºC no comprimento do tarugo e de tarugo a tarugo. A figura também ilustra a capacidade do aquecedor em criar duas zonas de temperatura no interior do tarugo – uma zona mais quente na parte frontal e outra mais fria na parte de trás. Ademais, apesar de não demonstrado na figura, a temperatura linear estreita-se cerca de 1 ºC/cm.

Vantagens na Produção e no Funcionamento

A máquina é muito simples mecanicamente, apresentando fáceis procedimentos de instalação e mínimos requisitos quanto à manutenção se comparada aos aquecedores convencionais por indução CA. Além do potencial elétrico, a máquina CC utiliza somente um sistema hidráulico para fornecer pressão de pinçamento dos motores ao tarugo e simples e pequenos resfriadores de água para os trocadores de calor nas unidades de refrigeração. É importante notar que não há necessidade de compensação de potencial reativo para a administração do fator de potência como nas máquinas de indução convencionais. Ademais, tarugos de diferentes comprimentos podem ser aquecidos sem quaisquer ajustes adicionais de bobinas ou fator de potencia, além de não comprometerem em eficiência. A câmara de aquecimento não contém partes complexas em movimento para o transporte do tarugo e os acionadores, tanto quanto as bobinas, são completa e termicamente blindados para protegerem-se do tarugo aquecido. Finalmente, o magneto supercondutor é durável e não há necessidade de reposição ao longo da vida da máquina, pois não é exposto ao calor ou a vibrações. Por este motivo, não é preciso fazer a manutenção da bobina, considerada questão de prioridade para as máquinas convencionais.

Máquina em Destaque

A máquina ilustrada na Figura 5 foi entregue em julho de 2008 para uma empresa comercial de extrusão de alumínio em Minden, Alemanha. As características funcionais mais gerais estão dispostas a seguir:

- Capacidade: 2.2 toneladas/hora (48 tarugos/hora) alumínio

- Tamanho do tarugo: 7 polegadas (178mm) x 27 polegadas (690mm)

- Temperatura máxima: 520 ºC

- Potência de acionamento: 360 kW

- Potência da Bobina: < 200 W

- Consumo de Energia: < 150 kWh/t

O coração do sistema é um magneto supercondutor, o qual está contido em um recipiente termicamente isolado denominado criostato. O criostato mantém a bobina refrigerada. Os magnetos supercondutores e os criostatos de aço são tecnologias muito maturadas utilizadas em inúmeras aplicações industriais, bem como na área médica, como, por exemplo, em máquinas de MRI, sistemas de detenção NMR etc. Acima do magneto localiza-se uma pequena caixa contendo o refrigerador. Trata-se de um item comercialmente disponível, pronto para o uso, que, ao conectar-se com a linha de força, cria um ambiente frio para o magneto. É o mesmo princípio de funcionamento de um refrigerador doméstico. O magneto cria um campo magnético, o qual penetra em duas câmaras de aquecimento termicamente isoladas, no interior das quais encontram-se tarugos em rotação. Os motores de qualquer dos lados do tarugo fornecem a energia de rotação. Esses motores podem escorregar para dentro ou para fora, a fim de acomodar tarugos de diferentes cumprimentos. Eles possuem flanges que seguram o tarugo durante a rotação sem produzir qualquer dano ou deformação. A simplicidade é um dos pontos-chave sobre esta máquina. O único item a ser aquecido é o tarugo. Nenhum componente crítico é exposto a altas cargas de aquecimento, vibrações ou qualquer outra influência potencialmente danosa. Os principais componentes são os motores, tratando-se de tecnologia muito maturada; os refrigeradores, os quais são também bastante desenvolvidos; e o magneto supercondutor, mantido em segurança em um robusto compartimento de aço. Os requisitos para a manutenção são fáceis e mínimos.

Resumo

A tecnologia dos supercondutores tem sido aplicada na produção de uma nova geração de aquecedores por indução de não-ferrosos, com tempos mais curtos de aquecimento e eficiência em dobro quando em comparação aos aquecedores por indução convencionais. Um elemento chave destas máquinas singulares é a rotação da peça. Os Aquecedores por Indução Supercondutores, encontrados em tamanhos de 0.25 MW de razão térmica revolucionam o aquecimento de tarugos de alumínio, cobre e latão anterior à extrusão – reduzindo à metade a demanda por energia, bem como os custos operacionais. As bobinas por indução são fabricadas a partir de material supercondutor avançado, arrefecido com máquina compactada e estruturada com poder de refrigeração a 30 K, com alta corrente CC que implica em um nível de perdas praticamente ínfimo. Com o intuito de criar o efeito de aquecimento por indução, o tarugo é colocado em rotação em um campo eletromagnético de alta potência – A variação da velocidade é determinada pelo tamanho do tarugo e pelo tipo de material. Além de dobrar a eficiência operacional, o Aquecedor por Indução Supercondutor requer pouca manutenção e apresenta vida funcional durável, devido às cargas térmicas não convencionais. Pela mesma razão, a troca de ferramentas é mais rápida e mais segura. Desta forma, o resultado aponta para uma melhora quanto à produção, flexibilidade e custos operacionais.

Para maiores informações: contatar Larry Masur, Ph.D. da Zenergy Power Inc., 379 Oyster Point Boulevard. Suite 1, South San Francisco, CA; Tel: +1781-783-8501; e-mail: Larry.Masur@zenergypower.com, web:

www.zenergypower.com

Fonte: http://www.revistaih.com.br/artigo-tecnico/duplicando-a-eficiencia-com-a-supercondutividade/2727