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PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL CAMBIO CLIMATICOS - EELA

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TÉRMICO REALIZADO POR EL INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA – INT DEL HORNO CERÁMICO TIPO CATENARIA DESARROLLADO POR

LA UNIVERSIDAD FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REY

RíRíoo de Janeiro - Brasil de Janeiro - BrasilJulio - 2011Julio - 2011

EELA es un programa de COSUDE, ejecutado por Swisscontact y PRODUCE


1. INTRODUCCIÓN

Este trabajo de evaluación de desempeño térmico fue realizado por técnicos del Instituto Nacional de Tecnologia – INT en el ámbito del proyecto EELA. En los últimos dos años, la UFSJ – Universidad Federal de São João Del Rey en Minas Gerais viene desarrollando la tecnología de hornos cerámicos de pequeño porte (cámara interna de 0,6 m3) del tipo catenária (bóveda curva suspendida en dos bordes extremos sostenida bajo la influencia del peso de cada segmento rectilíneo formado por sucesivas piezas – blocks cerámicos) con el destino de procesar en pequeña escala la quemada de los productos de cerámica artística y porcelana, involucrando temperaturas máximas del orden de 1250 oC, tanto con la quemada de leña, como con gas liquefeito de petróleo. Entre las ventajas que se pretenden con el desarrollo de la estructura catenária en la bóveda del horno están la construcción simple , la rapidez de la instalación, el precio relativamente bajo del equipo (inferior a R$ 5,000.000 considerando que el ladrillero puede producir los ladrillos aislantes del horno), así como el moldeo, ya que la UFSJ pretende construir hornos en escala de producción mayor (1 a 2 miles de ladrillos por horneada), pero siguiendo la misma geometría y principios constructivos (ver comentarios en la conclusión).

Paralelamente, la tecnología desarrollada en el horno está direccionada a promover una quemada más homogénea y controlada, permitiendo la obtención de altos porcentajes de productos de buena calidad, y principalmente, alcanzar valores elevados de eficiencia térmica y consecuente reducción del impacto ambiental y económico promovido por el menor uso de combustibles, lo que es de interés del sector productivo y de la sociedad.

El ensayo realizado por técnicos del INT conjuntamente con la UFSJ procuró investigar su aplicabilidad en operaciones de quemada de productos cerámicos más rústicos, como ladrillos y tejas, cuyas temperaturas de procesamiento dependen del tipo de arcilla, son más bajas de La orden de 850 a 950 oC. Los resultados de la prueba de eficiencia térmica del equipo permitirán mostrar que tal objetivo puede ser alcanzado con buenos niveles de eficiencia térmica y calidad final del producto, demandando todavía algunos ajustes en la forma de operación del horno y en el proyecto de la cámara de combustión del mismo.

2. METODOLOGIA

La metodología aplicada tuvo como objetivo la evaluación del consumo energético específico del horno catenária en una operación de quemada de ladrillos macizos empleando La unidad kcal/kg, ou sea, midiendo en un ciclo completo de quemada el consumo total de combustible (madera de piso – tacos), la energía térmica involucrada (kcal), y la carga total procesada en el horno a lo largo del ciclo monitoreado (kg), valores que también permitirán evaluar la eficiencia térmica del horno a partir del cálculo de calor útil demandado por La arcilla procesada en función de sus características físico-químicas y de las condiciones atmosféricas ambientales.

Para esto, fue realizado el pesado y el contenido de humedad (aparato marca Prueba 606-2) de una muestra de carga alimentada en el horno (5 piezas de ladrillo macizo compactado) e, al finalizar La prueba, un mismo procedimiento en relación a los ladrillos quemados.

INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected]

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mailto:[email protected]

http://www.int.gov.br/


También fue realizado el pesado y la medición de la humedad (en el mismo equipo probado) de diez piezas de taco de madera, el combustible alimentado, evaluándose su humedad. En relación al poder calorífico (superior e inferior) fueron realizados ensayos de humedad en laboratorio del Instituto Nacional de Tecnología (LACOL-INT), en Río de Janeiro, así como nuevo ensayo, en relación a la humedad presente en el combustible (tacos de madera), más exacto que el realizado en el campo.

En relación al monitoreo de las temperaturas de operación Del horno, fueron instalados termopares del tipo K en la salida del horno (base de chimenea), en los lados derecho e izquierdo de la cámara del horno, siendo el primero de ellos junto a un ladrillo en la cámara, y por último, en cuanto ala temperatura ambiente, todos ellos conectados a un registro Fluke Data Logger, que monitoró la evolución de las curvas de temperatura en los puntos referidos a lo largo Del período de ensayo, que también fue cronometrado manualmente.

3. ENSAYOS Y RESULTADOS

3.1. Pesado de tacones de madera utilizados como combustible

Fueron pesados diez muestras de tacos de madera (piso) con los siguientes valores en gramos: 186,3; 207,8; 197,1; 226,3; 205,0; 175,4; 195,1; 160,0; 172,7; 155,6.

Media: 188,1 g

3.2. Tiempo de ensayo

De 6:00 h de la mañana a las 11: 40 h del día 21/06/2011, totalizando 5h 40 min, habiendo sido realizada la última alimentación de leña diez minutos antes del aire viciado del horno, realizado a las 11h 40 min.

3.3. Masa total de tacones alimentados en el horno a lo largo del ensayo

A lo largo del ensayo (5h 40 min), fueron alimentadas 425 piezas de taco de madera, permitiendo estimar una masa total de combustible introducido en el horno de:

(425 x 188,1 g) / 1000 g/kg = 79,94 kg.

Obs: Se verifico que, si la alimentación del combustible hubiera sido hecha de forma más equilibrada entre los dos lados de la parrilla del horno, la temperatura interna de la cámara del horno hubiera mejorado de forma más rápida lo que podría haber reducido la alimentación total estimada en cerca de 50 piezas de taco a cerca de media hora menos de operación, lo que llevaría a un calentamiento más rápido de la carga del horno.

3.4. Medición de la humedad de los tacos de madera alimentados en el horno (medición en campo y medición en el Laboratorio de Combustibles del INT)


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Media de las mediciones en campo : 11% Medición en laboratorio: 10%

Obs: Para efecto de cálculo, se considero el valor medido en campo (11%) por la pequeña diferencia en relación al resultado obtenido en laboratorio y por el hecho de la madera haber perdido una parte de su humedad después de cinco días, cuando la humedad de la muestra fue medida en laboratorio.

3.5. Masa total de madera seca alimentada en el horno79,94 kg x 0,89 = 71,15 kg

3.6. Poder calorífico inferior Del combustible utilizado (tacones de madera)

Valores obtenidos en ensayo del poder calorífico en laboratorio (Lacol – INT): PCS: 4.688 kcal/kg; PCI: 4.370 kcal/kg.

Valor usual adoptado en la literatura para el PCI de la leña: 4.350 kcal/kg.

Obs: En función de la diferencia irrisoria entre los dos valores (0,45%), se adoptó el valor usado en la literatura técnica.

3.7. Energía total alimentada en el horno (Cantidad total)

71,15 kg x 4.350 kcal/kg = 309.503 kcal.

3.8. Pesado de la carga introducida en el horno – ladrillo macizo húmedo

Fueron pesados cinco muestras de ladrillo moldeado con los siguientes valores en kg:

2,154; 2,126; 2,176; 2,185; 2,202.

Media: 2,169 kg.

3.9. Pesado de la carga extraída del horno – ladrillo macizo quemado

Fueron pesadas cinco muestras de ladrillo quemado (producto final) con los siguientes valores en kilos:

1,800; 1,816; 1,806; 1,855; 1,831.

Media: 1,822 kg.

3.10. Humedad de la carga alimentada en el horno (%)

Fueron realizadas algunas mediciones de campo relacionadas a la humedad de ladrillo húmedo introducido en el horno a través Del aparato Texto606-2 con el valor medio de 2%.


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3.11. Pesado de la carga total a ser procesada en el horno

Fueron introducidos en el horno 205 ladrillos de arcilla cruda, apiladas de forma espaciada de modo que permita que los gases calientes producidos en la combustión pasen de forma fluida que se pueda optimizar el cambio de calor con la carga e su homogeneidad de temperatura a lo largo Del proceso de quemada. Así, la carga total introducida en el horno fue de:

205 piezas x 2,169 kg/pieza = 444,65 kg, sendo 8,89 kg de agua (2%) e 435,76 kg de arcilla seca.

3.12. Pesado de la carga total procesada en el horno (ladrillos quemados)

205 piezas x 1,822 kg/pieza = 373,51 kg.

3.13. Pérdida de masa (agua, materia orgánica y otros) en la quema de la carga

(444,65 – 373,51) kg = 71,14 kg

3.14. Pérdida porcentual de masa de la carga en la quemada

(71,14 / 444,65) x 100 = 16%.

3.15. Dimensiones externas iniciales (largo, ancho y altura) de las piezas de ladrillo húmedo

Fueron medidas las tres dimensiones referidas en cinco piezas con los siguientes resultados medios – C: 22,0 cm; L: 11,0 cm; A: 5,0 cm.

3.16. Volumen unitario y total de carga húmeda del horno

Volumen medio por pieza: 1,21 dm3. Volumen total: 1,21 dm3/pieza x 205 piezas = 248,1 dm3.

3.17. Dimensiones externas finales de las piezas de ladrillo quemado

Las tres dimensiones referidas en cinco piezas de ladrillo quemado fueron las siguientes -C: 21,5 cm; L: 10,5 cm; A: 5,0 cm.

3.18. Volumen unitario y carga total húmeda del horno

Volumen medio por pieza: 1,13 dm3. Volumen total: 1,13 dm3/pieza x 205 piezas = 231,7 dm3.


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4. Contracción Dimensional

((248,1 – 231,7) dm3 / 248,1 dm3) x 100 = 6,6%

4.1. Relación volumen de la carga versus volumen de la cámara del horno

Volumen de la cámara: 0,60 m3

Volumen de la carga húmeda: ~0,25 m3

Porcentual de ocupación: (0,25/0,60) x 100 = ~42%

Obs: Se verifico que el volumen de la cámara del horno podría soportar un cargamento entre 60 e 70%, considerando el tipo de ladrillo procesado y el espaciamiento realizado, lo que influenciaría grandemente en los datos de desempeño final del horno, considerándose que la carga térmica absorbida por la estructura del horno seria la misma.

4.2. Variación de la temperatura ambiente (ºC)

Hora 6:00 h 9:00 h 10:00 h 11:00 h 12:00 hTemp. ambiente (oC) 10 13 15 18 21Humedad relativa (%) 55 50 45 43 38

Temperatura media durante la realización Del ensayo: 13oC.

Obs: La temperatura atmosférica durante el ensayo del horno fue razonablemente abajo de la media esperada para una operación usual del horno, generando condiciones más adversas para la obtención de resultados buenos de desempeño térmico del equipo.

4.3. Calor útil demandado por la arcilla

Para una arcilla procesada en el horno a 135 oC (Ta) y con 2% de humedad (Ma = 8,89 kg), quemada a 950 oC (Tm), con calor específico de 0,26 kcal/kgoC (Carg) – valor obtenido en la literatura), calor de reacción de la arcilla (Lr) de 25 kcal/kg, también obtenido en la literatura técnica, considerando calor latente de vaporización del agua, a presión atmosférica de 539 kcal/kg (Lv), kcalmassa de arcilla (Marg) de 435,76 kg, y los calores específicos del vapor de agua a presión atmosférica de 0,48 kcal/kgoC (Cv) y del agua de 1.00 kcal/kgoC (Ca), se calcula el calor teórico necesario para la quemada de arcilla con el 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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siendo Ma la masa de agua, Ca el calor específico del agua, Ta la temperatura ambiente, Lv el calor latente de vaporización del agua, Cv el calor específico del vapor de agua y Tm la temperatura máxima de quemada. Así, el calor total útil necesario para la quema de la arcilla alimentada en el horno es de:

Qútil = 104.458 kcal

4.4. Eficiencia térmica del horno durante el ensayo

Ef. térmica = Qútil/ Qtotal = (104.458 kcal / 309.503 kcal) x 100 = 33,8%.

4.5. Eficiencia térmica del horno en condiciones optimizadas de operación

En función del bajo cargamento del horno, 42% en volumen, en que podría haber sido de 60 a 70% (en la simulación más al frente, consideraremos 65% o 317 ladrillos macizos – 687,57 kg de ladrillos húmedos, siendo 673,82 kg de arcilla seca y 13,75 kg de agua presente en la arcilla), de baja temperatura ambiente (media de 13°C) y de la alimentación irregular durante la primera etapa de operación del horno (diferencias de temperatura de hasta 20% entre la parte frontal y anterior de la cámara, condición que habría exigido cerca de 30 minutos a más de operación y cerda de 12% a más en la alimentación de combustible, se calculó la siguiente condición ideal (temperatura ambiente de 25°C) para la quemada de ladrillos macizos em el horno catenaria:

Tiempo de operación: 5h 10 minCombustible alimentado: 374 piezas de taco de maderaEnergía térmica introducida en el horno: 272.363 kcal Calor absorbido por el agua (qágua): 14.053 kcalCalor absorbido por la arcilla (qarg): 162.054 kcalCalor de reacción (qr): - 16.846 kcalCalor útil (Qútil): qágua + qarg + qr = 159.261 kcalEficiencia térmica: Qútil/Qtotal = (159.261 kcal / 272.363 kcal) x 100 = 58,5%.

4.6. Calor útil específico demandado por la arcilla en las condiciones de ensayoQútil: 104.458 kcal / 444,65 kg = 234,9 kcal/kg.

4.7. Calor útil específico demandado por la arcilla en las condiciones optimizadasQútil: 159.261 kcal / 687,57 kg = 231,6 kcal/kg.

4.8. Consumo energético específico del horno en las condiciones de ensayoCenerg esp = (234,9 kcal/kg)/0,338 = 695 kcal/kg.

4.9. Consumo energético específico del horno en las condiciones optimizadasCenerg esp = (231,6 kcal/kg)/0,585 = 396 kcal/kg.


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5. CONCLUSIÓN

Las condiciones de temperatura del aire del ambiente (mucho frío) y de baja carga del horno (35% abajo de la capacidad normal) hicieron con que los datos de desempeño térmico del horno hayan sido apenas razonables. Se considera que la carga ideal de ese horno sea del orden de 60 a 70% del volumen de la cámara. Otros aspectos que conspiraron para un resultado limitado en la quemada del horno fueron la forma de cargar el horno y el espaciamiento interno de la carga, de forma a optimizar la circulación de los gases calientes y el cambio interno de calor, viendo una mejor homogeneidad en la distribución del calor dentro del horno, así como la posibilidad de alimentación más regular de la cámara de combustión, de modo a impedir exageradas diferencias de temperatura en la cámara y alcanzar menor tiempo de operación en la horneada, que en la prueba fue de 5h y 40 minutos, sólo que podría haber sido como mínimo 30 minutos menos, lo que redundaría en menor demanda de combustible.

Considerando la posibilidad de quemada de una carga de ladrillos en volumen 50% mayor (308 piezas), aprovechando mejor el volumen interno de la cámara, bajo una temperatura ambiente en torno de 30°C y empleándose arcillas con mejores propiedades (menor granulometría y mas fundición. Admitiendo temperaturas de quemada abajo de 900°C) se considera posible que el referido horno opere con mejores índices de desempeño energético, lo que podría ser constatado en una próxima y optimizada experiencia de quemada en el horno.

De toda forma, a partir de los datos obtenidos en el ensayo, se verifico que el horno catenária desarrollado pela UFSJ presenta buenas posibilidades de difusión en el sector de cerámica roja en relación al segmento de las micro-empresas por su buena homogeneidad de quemada de carga, buen nivel de eficiencia térmica, bajo costo, simplicidad constructiva y, principalmente, por la posibilidad de aumento de escala productiva con su ampliación dimensional para el proceso de uno o dos millares por horneada. Por esto, es importante que ese aumento de escala productiva sea bien estudiado por el equipo del proyecto, toda vez que el simple crecimiento lineal del largo del horno, mantenidas las otras dimensiones, podrá crear dificultades en la operación del horno en lo que respecta a su alimentación continua durante el proceso de quemada, pudiendo comprometer la homogenización de la temperatura de la carga del horno. Creemos que el aumento de capacidad del horno sea más fácilmente obtenido con el aumento de la altura de la cámara, permaneciendo el horno con el largo actual o un poco mayor, lo que permitiría la operación facilitada en relación al aumento lineal.


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ANEXOS

1 - Curva de calentamiento del horno

La curva trazada presenta el calentamiento del horno desde el inicio de la operación

Forno Catenária

0

200

400

600

800

1.000

1.200

0:00

0:30

1:00

1:30

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2:30

3:00

3:30

4:00

4:30

5:00

5:30

6:00

Tempo Transcorrido (hh:mm)

Tem

pera

tura

(°C

)

Frente Chaminé Atrás

Abafamento às 11h35min

2 - Temperaturas registradas durante la quemada de los ladrillos

Tiempo Transcurrido (hh:mm)

Temperaturas Registradas (ºC)Frente Chimenea Atrás Ambiente

0:00 13,7 14,3 12,9 10,10:05 14,0 14,4 12,9 10,20:10 13,8 14,3 13,1 10,10:15 13,9 14,4 24,5 9,70:20 15,7 14,7 42,2 9,70:25 16,1 15,1 45,8 9,70:30 15,8 15,4 73,8 10,00:35 15,6 15,2 71,5 9,80:40 15,7 15,4 69,5 9,90:45 21,9 21,4 66,8 9,90:50 27,2 27,2 97,1 10,30:55 36,5 32,1 89,4 10,01:00 53,2 45,2 116,7 10,31:05 60,7 74,5 137,9 10,41:10 62,1 82,4 133,9 10,7


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1:15 68,1 73,6 144,9 10,51:20 81,8 73,7 173,1 10,61:25 90,8 84,0 132,0 11,01:30 194,8 75,9 135,5 10,91:35 169,6 70,1 118,9 10,71:40 212,8 79,8 139,2 10,91:45 205,6 76,5 140,4 11,41:50 172,2 71,3 126,0 11,41:55 197,3 77,1 132,3 11,02:00 232,8 83,2 144,6 11,12:05 270,2 97,0 169,3 11,52:10 247,9 101,6 206,5 11,52:15 303,1 110,6 208,6 11,42:20 281,6 106,6 205,7 11,42:25 287,6 113,1 207,5 11,82:30 295,8 124,9 233,5 12,22:35 369,8 143,4 237,9 12,02:40 356,1 149,7 247,4 12,62:45 383,2 154,1 257,7 13,22:50 393,9 159,2 254,5 13,02:55 414,6 157,9 261,8 12,33:00 420,7 164,5 274,1 12,53:05 437,2 173,8 282,1 13,43:10 462,3 191,8 317,1 13,33:15 500,7 197,7 314,1 12,73:20 505,2 193,7 305,1 12,73:25 575,2 213,0 342,8 14,73:30 571,4 210,1 331,2 12,73:35 599,0 217,4 349,6 13,83:40 555,6 213,3 344,8 14,83:45 609,0 223,5 358,1 15,43:50 624,3 230,5 370,3 15,43:55 624,3 231,9 372,8 16,04:00 617,2 241,6 407,2 15,54:05 626,2 253,7 458,3 15,94:10 713,0 262,7 458,3 16,04:15 742,4 273,8 480,4 16,74:20 740,7 279,8 511,6 17,34:25 750,5 286,9 551,1 19,44:30 795,9 296,1 576,2 17,84:35 830,8 305,9 575,3 19,04:40 828,3 317,3 595,5 19,94:45 851,8 325,3 610,7 19,74:50 841,5 330,1 614,1 21,04:55 859,8 340,6 629,6 20,45:00 857,5 344,9 639,9 20,45:05 838,9 350,8 646,4 22,65:10 857,7 365,2 672,0 22,55:15 891,0 378,4 688,1 21,55:20 909,0 394,3 722,6 22,75:25 929,9 404,4 762,7 23,05:30 962,6 422,1 787,4 23,6


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5:35 959,5 434,3 813,3 23,35:40 978,8 448,8 845,0 23,85:45 984,0 457,8 911,8 23,75:50 961,8 426,8 817,8 25,55:55 939,9 422,9 865,8 25,26:00 918,5 425,4 838,5 25,06:05 897,2 420,8 852,0 27,2

10:15 434,2 292,3 382,9 25,210:20 425,7 287,6 349,8 25,110:25 313,8 272,8 237,5 25,510:30 284,7 267,0 168,3 24,610:35 322,9 259,7 156,0 24,510:40 299,8 254,6 141,0 24,210:45 261,7 249,1 168,0 25,810:50 249,9 242,9 146,0 24,310:55 227,5 238,2 154,4 24,611:00 233,6 232,1 155,6 24,411:05 236,5 227,6 134,3 24,311:10 223,5 222,8 111,4 23,811:15 218,2 217,9 107,7 23,611:20 220,2 213,4 116,5 23,111:25 219,9 208,4 110,0 21,311:30 201,8 204,6 97,1 21,0


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3 – Fotos de la horneada de ladrillos

Carga de ladrillos y leña utilizada

Carga de ladrillos y horno


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Fornalha y chimenea del horno

Cargamento del horno y detalle de la entrada de la chimenea


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Detalle de la horneada e inicio de la carga del horno

Cargamento del horno y ladrillos a ser introducidos


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Arreglo final de la carga de ladrillos


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Horno cerrado y en proceso de calentamiento

Final del proceso de quemada – observación de los ladrillos en la visita de la parte trasera del horno


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Horno de aire cargado después de terminada la quemada

4 – EQUIPOS UTILIZADOS

Fluke Hydra Series II modelo 2625ATermómetro digital, sensor tipo K – Salvterm 1.200 kMedidor de Humedad Texto 606-2


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