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