A melhor tecnologia para aquecimento de óleos combustíveis ultraviscosos
Sabemos que para obter uma boa combustão de qualquer tipo de óleo combustível é primordial que o óleo seja nebulizado, ou melhor, atomizado ao máximo grau possível. Entretanto, o parâmetro fundamental que determina a maior ou menor dificuldade de atomização do óleo é a sua viscosidade. Esta por sua vez está diretamente ligada à temperatura. Maior a temperatura de queima do óleo, menor será a sua viscosidade e maior portanto a sua atomização.
Embora o aquecimento de óleos ultra viscosos seja problemático em aquecedores a resistência, aquecedores a gás ou a óleo combustível, devido à grande possibilidade de craqueamento do óleo, com a introdução do Aquecedor Indutivo para Fluídos a tarefa de aquecer óleo ultra viscoso tornou-se uma operação simples e segura, mesmo levando em conta as altas viscosidades destes óleos em temperaturas mais elevadas. Por exemplo, a viscosidade cinemática de um óleo 9A a 275ºC, isto é, a temperatura recomendada para nebulização e queima, apresenta uma viscosidade de 20,12 centistokes, aproximadamente 20 vezes maior que a água na temperatura ambiente.
Estas altas viscosidades introduzidas em correlações empíricas das mais usadas (por exemplo, fórmulas de Hausen, Sieder-Tate e outros) para o cálculo do número de Nusselt e portanto do coeficiente médio de troca de calor por convecção, leva a temperaturas de parede dos tubos dos Aquecedores Indutivos para Fluídos exageradamente altas, totalmente incompatíveis com os resultados práticos obtidos em várias medições feitas no campo. Na prática, para óleos ultra viscosos, a diferença de temperatura medida entre a parede do tubo e o fluido em vários Aquecedores Indutivos para Fluídos em funcionamento situa-se entre 8 e 25ºC.
Embora nenhuma das mais conhecidas correlações empíricas para o cálculo do número de Nusselt mostrou-se apropriada para explicar o baixo diferencial de temperatura entre a parede e o óleo ultra viscoso que escoa nos tubos de aço inox do Aquecedor Indutivo, estudos mais cuidadosos feitos na Brascoelma levaram a conclusões que confirmam os excelentes resultados medidos.
Como já mencionado, devido à viscosidade não desprezível apresentada pelos óleos ultra viscosos mesmo na temperatura de atomização, torna-se praticamente impossível obter um escoamento com um número de Reynolds elevado. Por exemplo, para o caso do óleo 4A, entrando este a 120 ºC no aquecedor, e saindo a 180 ºC, a viscosidade será respectivamente de 156,56 e de 22,84 centistokes, com 51,54 centistokes na temperatura média de 150 ºC.
Num exemplo concreto de um projeto de aquecedor de 750 KW para aquecimento de óleo 4A, se adotarmos uma perda de carga máxima de 2Kgf/cm², a densidade de potência de 0,9 W/cm² e a vazão de 21 m³/h, qualquer que seja o diâmetro dos tubos utilizados no aquecedor, é impossível conseguir um fluxo do óleo com um número de Reynolds acima de 4000, condição mínima para obter um escoamento de transição de laminar para turbulento com óleos ultra viscosos. (Com os dados especificados acima foi obtido, com uma determinada configuração de tubos um número de Reynolds igual 835).
É conhecido o fato que um coeficiente de troca de calor por convecção elevado está relacionado a um escoamento turbulento, com o qual é diminuída a espessura da camada limite, o que favorece a transferência de calor da parede do tubo para o fluido.
Como então explicar a baixa diferença entre a temperatura de parede ou de película e a temperatura do óleo que flui nos tubos, em vista do baixo número de Reynolds envolvido no escoamento dos óleos ultra viscosos?
A Brascoelma, usando um conceito intuitivo, que podemos aplicar a tubos longos, conceito este que simplifica o tratamento analítico do assunto, conseguiu justificar a diferença reduzida de temperatura de parede-fluido no aquecimento de óleo ultra viscoso, ressaltando, que somente o Aquecedor Indutivo possui as condições privilegiadas, inerentes à sua concepção, que permitem tal tratamento simplificado.
O Aquecedor Indutivo, pelo fato de ter as correntes induzidas nas paredes dos tubos, é um equipamento que garante um fluxo de calor extremamente uniforme em toda a superfície interna de escoamento do óleo, sem nenhuma possibilidade física da existência de pontos localizados mais quentes.
Isto, associado a um projeto adequado da superfície de troca de calor, do comprimento e do diâmetro dos tubos, justifica a diferença de temperatura parede-fluido baixa. Com o fluxo de calor perfeitamente uniforme, caso do Aquecedor Indutivo, a temperatura de parede e a temperatura do fluido crescem linearmente com uma leve convergência no sentido do escoamento, convergência que para tubos suficientemente longos, aproxima na saída do aquecedor a temperatura do óleo com a temperatura da parede interna do tubo, o que explica na prática as baixas diferenças de temperatura óleo - parede na saída do Aquecedor Indutivo.
Com relação às resistências, que também utilizam energia elétrica para aquecimento dos óleos ultra viscosos, o Aquecedor Indutivo leva vantagens fundamentais: economia de energia (entre 25 e 30%), troca de calor superior e temperatura de parede muito mais baixas. A maior economia de energia do Aquecedor Indutivo em relação às resistências, provém do fato que estas, sendo blindadas, possuem o resistor de aquecimento isolado por óxido de magnésio do tubo que constitui a blindagem. Portanto o calor desenvolvido na resistência tem que vencer a barreira térmica constituída pelo óxido de magnésio e também a barreira metálica constituída pelo tubo de proteção da resistência.
Isto quer dizer que no cálculo do coeficiente global de transferência de calor para uma resistência blindada imersa em óleo, devem ser considerados 3 coeficientes parciais de troca de calor, até este chegar ao fluido que esta sendo aquecido.
No Aquecedor Indutivo existe apenas um coeficiente de transferência de calor (por convecção) que coincide com o próprio coeficiente global de troca de calor do Aquecedor Indutivo.
Para que nas resistências seja mantido um determinado fluxo de calor, a temperatura do elemento de aquecimento deverá trabalhar com uma temperatura bem mais alta que a superfície externa da resistência, o que significa um dispêndio maior de energia elétrica.
No Aquecedor Indutivo, o calor não possui nenhuma barreira térmica, nem mesmo a parede do tubo se interpõe como obstáculo à transferência de calor, uma vez que este não se propaga da superfície externa do tubo para a superfície interna, mas é gerado no interior da parede do tubo.
A outra vantagem do Aquecedor Indutivo em relação às resistências reside no fato que estas ficam submersas dentro de um cilindro flangeado, geralmente de grande diâmetro, por onde escoa o óleo.
Devido à área transversal sempre elevada deste cilindro, o óleo praticamente possui um escoamento extremamente lento, o que significa transferência de calor das superfícies da resistência para o óleo quase que exclusivamente por condução, sendo bem baixa a troca de calor por convecção. Esta situação, também, obriga as resistências a manter uma temperatura superficial muito elevada, significando isto mais um consumo adicional de energia elétrica e perigo real de craqueamento do óleo sobre a superfície da resistência.
A prática demonstrou que na maioria dos casos o Aquecedor Indutivo substitui os aquecedores a resistência com uma economia de potência instalada de 25 a 30%.
Embora o custo unitário da energia elétrica seja maior que a do óleo combustível ou gás natural, em muitos casos foi observado uma vantagem final também na substituição de sistemas de aquecimento a óleo ou gás com Aquecedor Indutivo.
A construção multitubular e multicamadas e a grande versatilidade construtiva do Aquecedor Indutivo imprimem características de escoamento que favorecem uma alta eficiência na troca de calor. Não é sem motivo que o rendimento global do Aquecedor Indutivo é de 98% conforme já confirmado por empresas no exterior.
O uniforme fluxo de calor em toda a parede dos tubos garante um aquecimento do óleo sem possibilidade de zonas mais quentes que outras, eliminando assim qualquer possibilidade de um início de craqueamento do óleo, condição que não existe totalmente nos aquecedores com resistências e menos ainda nos aquecedores que utilizam queima de combustíveis fósseis.
O Aquecedor Indutivo possui sobre os aquecedores a resistência, a gás e a óleo combustível mais uma vantagem muito importante quando se trata de aquecimento de fluidos: uma inércia térmica baixíssima, e portanto, um tempo de resposta muito rápido as variações de temperatura , não oferecido por nenhum outro sistema de aquecimento de fluido atualmente existente ou conhecido. No aquecimento de óleos combustíveis ultra-viscosos, isto garante uma temperatura de nebulização e viscosidade perfeitamente estáveis, que redunda numa queima mais eficiente do óleo combustível com melhor rendimento. A outra vantagem do Aquecedor Indutivo, ao contrário dos outros sistemas, é aquela que permite elevar a temperatura de nebulização acima daquelas recomendadas pelos fornecedores de óleo ultra viscosos, sem perigo de craqueamento, o que representa um fator efetivo na elevação da eficiência de queima, considerando que a um aumento da temperatura está sempre associada uma diminuição da viscosidade.
Não mencionamos aqui por motivo de brevidade o projeto eletromagnético necessário ao desenvolvimento do Aquecedor Indutivo, que por uma feliz coincidência achou no uso de tubos de aço inoxidável austenítico (não magnético) um elemento de projeto extremamente favorável, o que permitiu realizar a mais moderna e eficiente máquina de conversão de energia elétrica em calor.