Quando e como recomendar a instalação de Secadores Auxiliares por Infravermelho

When and how to recommend the installation of auxiliary infrared dryers.

Paulo Gerais de Camargo Rangel, CoProcess, Valinhos, Brasil, Canadá,

Resumo

A utilização de secadores auxiliares por infravermelho nas fábricas de papel e celulose é uma realidade em muitas empresas ao redor do mundo, e pode dar ótimos resultados. Para que se possa recomendar adequadamente essa tecnologia emergente, é necessário entender suas vantagens e limitações. Para a uma projeção adequado de resultados é necessário uma boa preparação do projeto, que se inicia com uma investigação detalhada, ou seja, a identificação das condições atuais do processo com relação a seu balanço de massa e energia, e um dimensionamento da necessidade de energia para a situação desejada. A escolha adequada do equipamento a ser recomendado deverá passar pelas restrições de espaço, custo operacional, segurança, e custo de manutenção.

A apresentação de um cálculo do retorno sobre o investimento será chave para permitir demonstrar os resultados econômicos, e como sua empresa poderá melhorar sua competitividade reduzindo custos e aumentando a produção.

Abstract

The use of auxiliary infrared dryers in the pulp and paper industry is a reality in many corporations around the world, and can lead to excellent results. To be able to properly recommend those emerging technologies it is necessary to understand its advantages and limitations. For an adequate results projection, it is necessary to do a good project preparation, beginning with a detail investigation, in other words, an evaluation of the proper energy requirements for the desired situation. The choice of the adequate equipment to be used has do deal with available space, operational costs, safety measures, and maintenance costs.

The formalization of a return of investment calculation will be a key that will enable the confirmation of the economical results, and how your company will become more competitive reducing operational costs and increasing production.

Palavras-chave: Secagem, Aumento de Produção, Redução de custos, Infravermelho, Ondas Curtas.

Key words: Drying, Production Increase, Cost Reduction, Infrared, Short Waves.

Secadores por infravermelho são equipamentos que já estão em uso na indústria de papel há mais de 30 anos, as idéias sobre sua aplicação na secagem de processos de fabricação de papel passaram por desenvolvimentos desde então e hoje já é possível uma melhor compreensão de sua utilização como tecnologia de secagem.

Primeiramente vamos recapitular alguns conceitos sobre a propagação de ondas eletromagnéticas revisando alguns conceitos tradicionais de física:

1

Espectro das ondas Eletromagnéticas

A melhor descrição sobre os fenômenos da propagação de ondas eletromagnéticas é sem dúvida a Luz, nós como observadores, percebemos essa pequena parte do espectro eletromagnético na natureza através de manifestações de irradiação, absorção, reflexão da luz.

O que no inicio da história da ciência eram considerados fenômenos totalmente independentes como manifestação, a ciência demonstrou através de experimentos da termodinâmica e conceitos matemáticos se tratarem de fenômenos de mesma naturez; calor e luz tem a mesma natureza.

Portanto após a contribuição de Herschel, Bernulli, Maxwell, Planck, e muitos outros, hoje a indústria e o consumidor direto utilizam-se desses fenômenos manipulando-os através de tecnologias diversas adequadas, por exemplo, para comunicar-se, secar, aquecer, cozinhar, medir, e muitas outras coisas.

A sociedade hoje, de forma geral, utiliza intensamente tecnologias associadas à energia das ondas eletromagnéticas.

A despeito do usuário médio final ter muito pouco conhecimento sobre como e o que ocorre com as ondas eletromagnéticas, quando as utiliza, estes são mestres convictos desses “objetos mágicos”, equipamentos estes, principalmente os de uso pessoal, que atendem as necessidades e aos comandos de seus mestres de forma contundente.

Figura 1

As citações da Figura 1 sobre as principais faixas do espectro eletromagnético: Raios Gama, Raios-X, Raios Ultravioleta, Luz visível, Infravermelho, Microondas, Ondas de Rádio, são temas para diversas aplicações no processo de fabricação de papel.

Podemos citar as contribuições como a medição de gramatura, umidade e cinzas, passando pela apresentação do produto pela sua cor, a secagem por infravermelhas, por microondas, e outras aplicações indiretas, a exemplo da comunicação de dados por radiofreqüência e etc.. Enfim estamos atualmente totalmente envolvidos na utilização da energia eletromagnética em todo o espectro de ondas.

Revisando o conceito de Temperatura

Trataremos aqui em especial da faixa do espectro eletromagnético na região nomeada como a do infravermelho que, alias possui uma banda muito maior do que a própria banda de espectro visível.

A razão pela qual essa região do espectro tem uma ampla aplicação na indústria da transformação de materiais é justamente pela sua grande capacidade de transmitir energia.

2

Na termodinâmica estudamos o estado da matéria quanto a sua energia interna, sendo que um corpo está em equilíbrio térmico quando sua quantidade de energia interna não se modifica, portanto a energia absorvida pelo mesmo é igual à energia que o mesmo perde ou emite.

Para entender o conceito de temperatura é necessário enfatizar a natureza dinâmica da matéria, onde quando se fala em equilíbrio térmico, este equilíbrio é dinâmico onde há constantemente um fluxo de energia saindo do corpo, irradiando para fora do mesmo, enquanto, ao mesmo tempo, há um fluxo de energia sendo absorvido pela matéria.

Se a matéria perder sua energia em um ritmo maior do que aquele que absorve, o corpo estará se resfriando, ainverso estará se aquecendo. Portanto temperatura é uma observação relativa do estado da matéria quanto a sua energia interna acumulada. A termologia está sempre baseada na colocação de corpos em equilíbrio térmico de forma que sempre o corpo utilizado para medir deverá retirar o mínimo possível de energia do corpo observado para que a observação seja conclusiva.

o

Dada a natureza oscilatória da matéria sabemos que as estruturas atômicas das moléculas, possuem freqüências

de ressonância que podem ser excitadas por ondas eletromagnéticas essas ditas freqüências de ressonância determinam a “opacidade” às ondas eletromagnéticas.

A faixa do espectro apelidada hoje como infravermelho foi originalmente observada pelos experimentos feitos por Sir Willian Herschel e denominados por ele como raios

Os raios gama e X são bastante conhecidos por terem uma alta capacidade de penetração na matéria, sendo a matéria então relativamente transparente às ondas eletromagnéticas dessa faixa do espectro. Já na faixa do infravermelho, no entanto, dependendo de sua freqüência (comprimento de onda), essa energia é absorvida seletivamente, dando forma a um espectro de absorbância de energia que retrata quais ondas eletromagnéticas são as que possuem maior ou menor permeabilidade pelo corpo em que se propagam.

Figura 2

É importante observar que quando falamos do equilíbrio termodinâmico, as ondas eletromagnéticas que são absorvidas pelo meio onde se propagam não necessariamente terão as mesmas freqüências das ondas de energia que o corpo perde ou emite. Na maioria das formas comuns de equilíbrio térmico da matéria, esta se comportará como um reirradiador, absorvendo certos tipos de freqüências e emitindo outras, lembrando que se em equilíbrio térmico, o balanço total de energia será sempre zero. A energia absorvida será igual à irradiada, mesmo que em freqüências distintas.

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Emissores de Infravermelho De acordo com a equação de Max Karl Ernst Ludwig Planck a capacidade de um determinado material de emitir radiação infravermelha está intimamente ligada à sua temperatura e a emissão de radiação ocorrerá dentro de um espectro previsível de ondas eletromagnéticas.

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2

]1)/[exp(2),( −−= kThchcTW λλπλ

Distribuição Espectral de Potência Emissiva de um Corpo Negro

0,0 E+00

1,0 E+00

2,0 E+00

3,0 E+00

4,0 E+00

5,0 E+00

6,0 E+00

7,0 E+00

8,0 E+00

0,1 0,6 1,1 1,6 2,1 2,6 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1 5,6 6,1 6,6

Comprimento de Onda em mm

Potê

ncia

Em

issi

va W

/cm

2

300 °C 500 °C 750 °C 950 °C 1100 °C Máximo

Figura 3

As observações de Planck retratam um modelo que descreve quais tipos de freqüências serão emitidas por um determinado corpo ideal denominado de “corpo negro”. Esse modelo também estabelece uma relação com a temperatura estudada pela termologia tradicional. Inclusive contempla as observações de Wien sobre o comprimento de onda do ponto de máxima energia de infravermelho e a temperatura média correspondente do corpo.

T2898

max =λ

De forma geral, o espectro de freqüências emitidas por um corpo aquecido será bastante bem previsível ao se utilizar o modelo de Planck, o que desta observação é possível inferir, com precisão razoável, a provável temperatura do corpo em questão.

Observamos pela equação de Planck, que o fluxo térmico (W/cm2) é uma função da temperatura e quando aplicamos o conceito para compreender o estado de um corpo aquecido, vamos observar que somente será valido se o dito corpo estiver uniformemente aquecido. Esse modelo pode ficar distorcido, se a distribuição de densidade de energia não for uniforme em toda a superfície considerada.

4

Por exemplo, considere um corpo metálico com um ponto de sua superfície superaquecido, havendo, portanto um forte gradiente de temperatura sua superfície. Se aplicarmos a mesma equação de Planck para cada elemento de superfície (∂a), e integrarmos seu espectro emissivo, observaremos que o dito corpo emissor, integrado em toda sua superfície, não mais corresponderá ao espectro padrão do “corpo negro” correspondente à sua temperatura média.

O corpo em questão estará emitindo diferentes espectros de energia para cada estado correspondente de sua superfície, e não mais se comportará como um corpo negro ideal mas sim como um corpo cinza como se vê em alguns autores..

Um corpo que emite constantemente um fluxo de energia infravermelha, e está em equilíbrio térmico, tem que necessariamente possuir uma fonte de energia, para sustentar esse fluxo térmico.

As reações químicas exotérmicas, a mais comum sendo a de oxidação, move a indústria da produção de calor quase que totalmente. Em outras palavras, a queima de combustíveis é a forma mais freqüente de produção de energia térmica.

A energia elétrica, que é mais nobre, em sua utilização mais freqüente produz involuntariamente calor que é geralmente considerado como perda. Menos freqüente é a utilização da energia elétrica para a geração de calor, sendo a utilização do efeito Joule resultado da condução de uma corrente elétrica através de uma resistência elétrica, a ocorrência mais comum.

Emissores de infravermelho mais conhecidos na indústria de papel são:

Tipo conhecido

Fonte de Energia

Aplicação mais comum

Densidade de Energia da fonte emissora

Densidade de energia aplicada no Processo

Comprimento de onda principal do emissor.

Tempo de Desligamento

Queimadores de combustíveis genéricos

Óleos Combustíveis. Gas Natural GLP

Caldeiras, capotas de secagem, fornos de cal.

Alta Baixa, media

Ondas Curtas 3 segundos

Maçaricos GLP Acetileno

Corte de Chapas

Alta Alta Ondas Curtas <1 segundo

Cilindros secadores Até 180˚C

Vapor Secagem de qualquer tipo de substrato.

Baixa Baixa Ondas muito longas (infravermelho distante)

600 segundos em regime.

Emissores Metálicos ( até 800˚C)

Eletricidade Resistências de aquecimento

Media Baixa Ondas medias, e longas

300 segundos

Emissores de Alta temperatura (Lâmpadas de Filamento de Tungstênio @ 2200˚C)

Eletricidade Secagem de Tinta

Alta Alta Ondas curtas 2 segundos

Emissores Metálicos até 900˚C

Gás Natural GLP

Secagem de Tinta

Media Media Ondas medias, e longas

300 segundos

Emissores Cerâmicos

Gás Natural GLP

Secagem de Tinta, Secagem de papel Base, Secagem de impregnação

Alta Alta Ondas curtas, ondas médias.

0,85 segundos

Importante compreender a principal característica de um emissor de infravermelho é sua freqüência de emissão e não a sua fonte de energia para a produção do infravermelho. A tecnologia que transforma a energia armazenada em energia útil é que determina essa característica.

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Secadores auxiliares por infravermelho,

A indústria de Papel vem utilizando cada vez mais as técnicas de secagem auxiliares empregando diversos tipos de emissores de infravermelho, são os mais comuns:

Ondas longas, emissores feitos a partir de resistências elétricas que são ativadas a temperaturas baixas entre 600 C e 800 C tem sido empregados na secagem de revestimentos ou impregnações, tem eficiência global muito baixa, da ordem de 25%. A modulação de potência é resultado da diminuição da temperatura do emissor, portanto a modificação do seu comprimento de onda emissivo.

Ondas medias e longas, emissores construídos com estruturas metálicas que operam na faixa entre 600 C e 1000 C, podem ter sua fonte de energia a partir de eletricidade ou de algum tipo de combustível, mais provavelmente o gás natural ou GLP. Em geral as estruturas metálicas necessitam de refrigeração o que contribui para a perda de eficiência geral que normalmente está em torno de 30%. Também da mesma forma, quase como um corpo negro ideal, a modulação de potência é resultado da diminuição da temperatura do emissor, e da mesma forma como acima a modificação do seu comprimento de onda emissivo.

Ondas curtas e médias, com temperaturas superiores a 1000 C e uma curva emissiva distinta de um corpo negro ideal, esses emissores podem ser construídos com diversas técnicas, não havendo uma regra geral de construtividade simples. Os elétricos tendem a possuir proteções com materiais tipo quartzo ou mesmo protegidos por atmosferas antioxidantes, e os a gás utilizam matérias refratários especialmente selecionados para suportar as altas temperaturas. A eficiência nesse caso depende da tecnologia e da construtividade empregada, e poderá variar entre 30% a 70%. Os emissores elétricos também modificam seu espectro emissivo ao se modular a potência, os emissores cerâmicos a gás são os menos susceptíveis a modificação do espectro com a variação da potência, pois variam a densidade de ocorrência dos pontos emissivos ao invés de sua temperatura.

Ondas Curtas, essencialmente produzidas com lâmpadas de filamento de Tungstênio envelopadas em quartzo. Tem sido empregado para a secagem de revestimentos, muitas vezes necessitam de refletores pelo lado oposto ao da aplicação. Necessitam grande quantidade de ar de refrigeração o que diminui consideravelmente sua eficiência global, que fica ao redor de 33%. Também variam sua potencia com a modificação da temperatura do filamento, portanto do espectro emissivo.

Qualquer que seja a tecnologia de secagem empregada nós devemos lembrar que sempre haverá múltiplos fenômenos de transferência de calor que concorrerão para o resultado final; convecção, irradiação, adsorção. Esses fenômenos têm que ser levados em consideração no momento do projeto de instalação para que uma boa eficiência global seja atingida.

Os diversos mecanismos de troca térmica afetam o processo de modo único, sendo a irradiação o método mais rápido de transferência de energia, pois sendo a energia eletromagnética, a mesma se propaga na velocidade da Luz.

Os outros métodos de troca térmica, condução, convecção, adsorção, dependem de propriedades intrínsecas dos materiais envolvidos e que estabelecem limites fisicamente possíveis para seu emprego. Por exemplo, ao entregarmos energia à superfície de uma folha de papel utilizando um cilindro a vapor, essa energia se propagará para o interior da folha sob o regime de condução térmica. Esse fluxo de energia estará limitado pela propriedade física intrínseca da água e das fibras quanto à capacidade de condução desse calor para o interior da folha o que limita a densidade máxima de potencia possível para esse tipo de equipamento, e consequentemente definindo seu tamanho físico.

Conceito de penetração de energia Radiante e a distribuição dessa energia no eixo Z.

A caracterização do tipo de infravermelho conforme seu comprimento de onda emissivo principal tem sua justificativa quando se trata de entender a questão da penetração da energia na estrutura que se está irradiando.

O conceito intuitivo de absorbância é aquele que podemos observar no espectro visível, onde quanto mais espessura tiver o substrato mais opaco este será. A absorção seletiva de luz visível por um

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substrato dará ao mesmo seu aspecto de cor. A cor de um objeto retro iluminado é resultado da transparência do mesmo àquele comprimento de onda, portanto um objeto de aparência vermelha é aquele que absorve menos a cor vermelha e assim podemos observar maior predominância dessa cor.

No espectro do infravermelho esse comportamento quanto à opacidade, não é um conceito intuitivo principalmente porque não enxergamos o espectro do infravermelho. Para entendermos o grau de opacidade que certo substrato possui é necessário observarmos seu espectro de absorbância. Se pudéssemos “ver” o infravermelho e distinguir seus diversos comprimentos de ondas, como fazemos com a luz visível, observaríamos que a “cor” do papel mudaria na medida em que ficasse mais seco, quando o mesmo fosse retro iluminado por uma fonte de infravermelho de amplo espectro.

Curvas de Absorbância Agua & Fibras

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Comprimento de Onda

Abs

orbâ

ncia

%

Filme de água 0.01 mm Papel Seco 60 g/m2 200 g/m2 10% Umidade

Figura 4

Um substrato do tipo folha de celulose ou papel, por mais delgado que possa nos parecer, possui espessura significativa e que pode ser entendida como uma sucessão de camadas de fibras, mesmo que de fato tenham sido formadas por um único processo.

Ao contrario do que se pode pensar, se o espectro de energia infravermelha emitida tiver uma alta capacidade de ser absorvida pelo substrato, (p.ex. comprimentos de onda > 6 µm Figura 4), toda essa energia será rapidamente absorvida na superfície do substrato sem permitir penetração nas diversas camadas inferiores do papel. Cada uma dessas camadas de papel, que a radiação infravermelha penetra, deverá absorver somente uma porcentagem dessa energia, de outra forma toda a energia será entregue na primeira camada provocando somente efeitos superficiais.

Se o emissor de infravermelho utilizado produzir ondas médias e longas (p.ex. comprimentos de onda > 3 µm Figura 4), a absorção ocorrerá preferencialmente nas primeiras camadas, tendo esse tipo de energia pouca capacidade de penetração no substrato. A utilização dessa técnica de infravermelho promoverá a evaporação preferencialmente da água superficial e se assemelhará ao sistema tradicional de secagem por secadores a vapor com a diferença de não ter contato físico. Podemos esperar os mesmos efeitos de perda de energia térmica da superfície aquecida para a atmosfera, sem produzir evaporação, similares ao processo convencional, o que limitará sua aplicabilidade.

Os emissores de infravermelho de ondas médias e longas terão, portanto sua melhor aplicabilidade em substratos onde há grande quantidade de água superficial a ser evaporada. A baixa capacidade

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de penetração dessa energia nos substratos de papel promoverá gradientes de temperatura e consequentemente efeitos de condução térmica significativos. Esse fenômeno limitará a capacidade de entrega de energia à folha, a tentativa de aumentar a densidade de energia emitida nessa faixa poderá queimar ou ressecar a superfície da folha após evaporar toda a água disponível dessa superfície sem conseguir penetrar mais profundamente e evaporar a água das camadas inferiores. A propagação do calor para o interior da folha será essencialmente por condução térmica.

Os emissores de ondas curtas e médias terão mais penetração e consequentemente produzirão mais efeito de evaporação, pois estarão evaporando não somente a água das camadas superficiais, mas também das camadas mais profundas (Figura 5). Esse efeito pode ser observado pela pouca elevação de temperatura da superfície da folha, e uma rápida queda desta temperatura logo apos a exposição a esse tipo de emissor, conseqüência da alta capacidade de penetração da energia e da evaporação interna provocada.

Emissor Ondas Curtas e Médias x Absorção nas Camadas

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

Comprimento de Onda µm

Pot

ênci

a Re

lativ

a

Espectro

15 g/m2

35 g/m2

55 g/m2

75 g/m2

95 g/m2

135 g/m2

185 g/m2

355 g/m2

Figura 5

Emissores essencialmente de Ondas curtas terão sua eficiência de transferência de calor intimamente ligada à transmitância do substrato. É muito comum nesses casos a adoção de refletores do lado oposto ao do emissor, pois a altíssima capacidade de penetração dessa radiação provoca perda de energia não absorvida que atravessa o papel e deve então ser então refletida de volta para uma nova exposição ao substrato. Infelizmente a eficiência de reflexão pode ser prejudicada uma vez que parte dessa energia será absorvida pelo refletor e dissipada como perda.

Problemas que são normalmente resolvidos com o uso de Infravermelho Auxiliar

Aquecimento pré-secagem

Dependendo do tipo de papel e das propriedades superficiais desejadas, a aplicação de cilindros secadores com alta temperatura (como transmissores de calor por condução térmica) no início da secagem, pode prejudicar as propriedades desejadas. Dependendo da superfície do cilindro, é possível que haja aderência do papel ao cilindro, por exemplo, papeis com alto teor de resinas (Kraft) tendem a grudar em cilindros secadores fundidos, isso acarreta levantamento de fibras da superfície, e eventualmente quebras excessivas. A repentina evaporação da água que se encontra na superfície da folha provocará “bolhas” destacando o papel do cilindro, deformando a superfície da folha e

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memorizando esse fenômeno na estrutura do papel ainda em formação o que acarretará perda de estabilidade dimensional da folha acabada.

A introdução de emissores auxiliares de infravermelho antes da entrada da secagem a vapor, onde a temperatura da folha ainda é muito baixa, poderá entregar a folha aos cilindros secadores a uma temperatura tal que seja possível trabalhar com os mesmos já a uma temperatura de superfície mais elevada. Haverá um aumento na taxa de evaporação desses cilindros e consequentemente um aumento da capacidade global de secagem do processo, que normalmente se traduz em aumento de velocidade de máquina.

Dependendo do numero de cilindros que causam a limitação, esses resultados podem ser significativos e facilmente mensuráveis. Como estamos com um teor seco muito baixo, é possível a utilização tanto de emissores de ondas curtas, como de ondas medias ou de longas. Devemos manter sempre em mente que quanto maior for o comprimento de onda do emissor menor será sua capacidade de penetração, e mais susceptível à velocidade da máquina estará esse arranjo uma vez que sem penetração significativa que predominarão efeitos de condução térmica.

Os emissores de ondas curtas nesse caso não necessitarão de refletores a menos que se trate de gramaturas muito leves.

Aumento da eficiência dos cilindros secadores

Durante o processo de secagem por cilindros a vapor, a energia entregue pelos cilindros se propaga para o interior da folha de papel essencialmente por condução térmica. A propriedade de condução térmica da folha é uma função da característica da folha quanto a sua composição de massa e principalmente quanto ao seu teor seco. Porque secamos, o teor seco aumenta na medida em que o papel passa pelos secadores, cada um desses cilindros encontra então uma estrutura de folha diferente. Com a escassez crescente de água livre, a capacidade de condução de calor diminui à medida que a folha se aproxima do final da secagem. A capacidade de evaporação diminui drasticamente a partir de um teor seco de 80% (Figura 6).

Considere também que as perdas térmicas também aumentam na medida em que a dificuldade de transmitir o calor para o interior da folha da oportunidade para que essa energia, colocada na superfície, seja parcialmente perdida para a atmosfera sem gerar evaporação.

Figura 6

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A utilização de emissores de infravermelho no final da secagem trará benefícios significativos, primeiramente por permitir que o papel passe pelos cilindros secadores com uma melhor capacidade de absorver a energia fornecida pelos cilindros secadores, e em segundo por essa energia ser melhor aproveitada aumentando a eficiência global dos cilindros. Podemos considerar como regra orientativa que para cada 1% de aumento da umidade final da folha, é possível ganhar 4% de velocidade na máquina. Essa umidade residual estará por conseqüência da técnica de secagem por cilindros a vapor mais concentrada no interior da folha.( Figura 7)

A remoção desse 1% a mais de água com o uso de infravermelho auxiliar pode ser muito fácil, e com isso obteremos um conjunto de resultados, a introdução de uma quantidade de energia pelo infravermelho, um aumento de capacidade de transferência dos cilindros secadores, e um aumento de eficiência desses secadores.

O aumento da capacidade de transferência de calor dos cilindros deveria ter como conseqüência um aumento de consumo de vapor no grupo secador, mas na pratica se observa que na verdade há uma redução do consumo específico de vapor. Como regra geral, podemos dizer que para cada 4% de aumento de velocidade obteremos 2% de redução de consumo de vapor. Esse fenômeno pode ser atribuído ao aumento de eficiência dos secadores finais do processo, superando a demanda real necessária com essa economia.

Neste caso, estando essa água residual a ser removida mais concentrada no interior da folha, é fundamental que se utilize emissores que produzam ondas de infravermelho que tenham capacidade de penetração na folha. Se o tipo de infravermelho não tiver penetração, este processo será também ineficiente, como os cilindros a vapor, portanto possivelmente não serão economicamente viáveis os resultados projetados.

Figura 7

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Umidade final a serremovida por Infravermelho

Ganho de Capacidade e eficiência de trocatérmica

Secagem de Revestimentos

Essa aplicação é a mais tradicional para os secadores auxiliares de infravermelho. O processo tradicional de secagem com capotas de sopradores de ar quente não consegue prevenir a migração da parte fluida da tinta para o interior da folha. Essa migração provoca efeitos colaterais bastante bem

conhecidos na indústria, principalmente os que dizem respeito aos efeitos de “marmorização”, e estratificação da camada de revestimento, que prejudicam principalmente a qualidade de impressão.

Os estudos desenvolvidos em diversos laboratórios, e tão amplamente publicados, indicam que para obtermos melhorias nesses efeitos citados seria necessária uma contribuição de no mínimo 25% da necessidade de energia com infravermelho auxiliar (Figura 8). Outros estudos mais detalhados falam de obtermos um teor seco da tinta tal que não haja mais mobilidade do aaderente (p.ex. Látex). Neste caso o

cálculo de energia necessária indicará maiores participações com Infravermelho auxiliar.

gente

ndários

inta

A aplicação de energia penetrante poderá secar também o papel base e não somente o revestimento. Na medida em que se evapora a água do revestimento este fica mais transparente ao infravermelho sobrando desta forma energia que se propaga ao interior da folha. Sendo o infravermelho de energia

Figura 8

Novamente temos que considerar o tipo de infravermelho que será utilizado na sua correspondente capacidade de penetração.

A utilização de emissores de ondas longas tanto elétricos como a gás, com tecnologia tradicional desenvolvidas nos anos 50, tem sido muito comum nessa área principalmente quando associados a complementos de secagem por capotas ou mesmo cilindros secadores. Mesmo sendo o efeito desse tipo de emissor também superficial, ainda assim é muito melhor do que a troca térmica por condução, ou mesmo por convecção com ar quente. O uso mais intenso, ou seja, uma maior participação desse tipo de emissor na secagem pode trazer efeitos colaterais indesejados. A energia entregue à folha deverá ser bem distribuída na camada de revestimento que está sendo aplicada para não provocar

efeitos de perda de ancoragem, ou mesmo endurecimento da camada superior.

A utilização de emissores de tecnologia mais atual, de ondas curtas com alto poder de penetração, permite a utilização de energia infravermelha para secarmos 100% da necessidade dispensando assim os outros tipos de secadores (Erro! Fonte de referência não encontrada.), com ganhos significativos na economia de energia. Se utilizarmos emissores a gás com essa característica, é possível aproveitarmos também os gases quentes que são produzidos e obtermos também efeitos secude secagem e com isso elevarmos a

eficiência global de troca a níveis de até 70%. A eliminação de partes da máquina que tem contato direto com a folha, após o revestimento, diminui sobremaneira a contaminação de resíduos de tseca, e diminui a formação de particulados (pó) permitindo ganhos secundários de qualidade.

Figura 9

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penetrante, é possível introduzir um papel base mais úmido na aplicadora, possivelmente compatibilizando melhor os teores secos entre a tinta e a base podendo assim de alguma forma indireta contribuir para o controle do encanoamento.

Não se deve utilizar infravermelho com o objetivo primário de controlar o encanoamento, esse controle é um tema complexo. Como esse tema trata essencialmente das diferenças entres as forças de tensão criadas pelo encolhimento diferencial entre as superfícies da folha, quanto mais superficial

ém for o método de secagem maior será sua influencia na geração dessas tensões. Como há tambefeitos de histerese nesse comportamento, ha também a criação de memória mecânica. Se for possível provocar durante a secagem um encolhimento no substrato similar ao da tinta aplicada, poderemos minimizar as tensões que serão criadas função dessa secagem. Quanto mais rápido pudermos secar o revestimento, menos memória do papel base será revelada. A influencia da aplicação de infravermelho auxiliar no encanoamento será somente secundária e fruto da reorganização da forma de secar.

Secagem de Impregnações, “Size-Press”

Sempre que há necessidade de promover a impregnsólido, podemos utilizar técnicas de infravermelho

ação do papel com algum tipo de agregado para promover sua secagem. Não é recomendado

o uso de infravermelho diretamente sobre impregnações com solventes voláteis, esta aplicação seria

obilidade. Efeitos de capilaridade, evaporação e recondensação serão preponderantes nessa mobilidade. Impregnações com produtos solubilizados ou dispersados em

me

. O

lar por o rápida do agente

impregnante, diminuição da energia total

lha com a aplicação de

amido (Size-Press) (Figura 10). Neste caso,

ido

de

o

Quando o banho for forne peratura elevaddistâncias de vão livre entre a pré-secagem e a pós-sesignificativa na perda de energia.

sempre bastante critica.

Durante o processo de secagem da água livre da folha, resultado de uma impregnação, esta água terá certa liberdade ou m

água requerem uma reologia bem elaborada de forma a inibir a mobilidade dos sólidos e dos pigmentos a serem impregnados, assumindo-se é claro uma necessidade de impregnação uniforao longo do eixo Z. Assumindo-se também que para obtermos controle dessa mobilidade dos produtos a serem impregnados temos que lidar essencialmente com a velocidade de secagemdesenvolvimento de uma reologia adequada pode ser associado a técnicas de irradiação por

infravermelho.

Esse desenvolvimento poderá contempexemplo a fixaçã

Figura 10

necessária para a secagem do produto, e diminuição do espaço necessário para executar a tarefa, quando comparado aosprocessos mais tradicionais como cilindrossecadores ou estufas.

Um caso bastante comum nas máquinas depapel é a colagem da fo

se a aplicação for por imersão em “prensa de colagem”, a reologia já é relativamente conhecida, e para que seja possível impregnara folha internamente, os valores de concentração de sólidos do banho de amserão necessariamente baixos entre 5% a 7%. O impacto térmico da adição de granvolume de água na folha, na sessão de pós-secagem será tanto para evaporar a água fornecida junto com o amido quanto paraelevar a temperatura desse banho impregnadaos níveis necessários para a evaporação.

a, essa demanda térmica pode diminuir. As cagem podem também ter influencia

cido com tem

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A utilização de infravermelho auxiliar nesses casos poderá complementar a energia necessária, e evidentemente a avaliação de aplicabilidade dependerá de um estudo de balanço de massa e energia.

Como o teor seco de entrada recomendado para uma impregnação por “size-press” é praticamente a do papel acabado, é muito comum que se encontrem limitações de produtividade nas máquinas que as possuem. O ideal seria que a posição física de instalação do equipamento “prensa de cola” fosse modificada na medida em que a produtividade da máquina fosse aumentada. A instalação de complementação de secagem por infravermelho poderá ser útil na solução dessas limitações. Tanto na pré como na pós-secagem valem as recomendações e considerações feitas anteriormente, pois as mesmas condições estarão presentes, tanto no final da pré-secagem como no inicio da pós-secagem.

Secagem de substratos delgados

A aplicação de emissores de Infravermelho auxiliares, para produtos de alta espessura será dependente do ponto de aplicação e da participação dessa energia na necessidade total. Enquanto o produto está bastante úmido, e a participação energética for pequena, quase todos os tipos de infravermelho poderão ser utilizados. Para uma participação maior, a capacidade de penetração novamente será preponderante.

Uma participação energética significativa fica praticamente limitada aos irradiadores de ondas curtas, pois a utilização de equipamentos de ondas longas demandaria muito espaço o que na pratica concorre com os sistemas tradicionais tanto em eficiência quanto em área de ocupação.

Com as tecnologias de geração de infravermelho de ondas curtas mais atuais pode-se considerar gramaturas de no máximo 400 g/m2 como sendo possível irradiar por qualquer dos lados sem causar expressiva diferença na evaporação da água entre os lados da folha.

Será necessário irradiar ambos os lados se a gramatura envolvida for maior do que esse valor. Irradiadores cerâmicos a gás têm sido utilizados com sucesso nessa aplicação para a secagem de Celulose de até 900 g/m2

(Figura 11).

Os irradiadores de ondas curtas, como podem ser aplicados no final do processo em máquinas de secagem por cilindros, provocam um resultado de otimização muito significativo, superando e muito a regra dos 4% de velocidade por cada 1% de umidade na saída do processo.

Essa relação de 4:1 pode chegar a ser 7:1 dependendo da gramatura da folha.

Figura 11

Questões de segurança

Quanto a questões de segurança, a principal preocupação dos usuários de sistema auxiliares de infravermelho, é a questão do risco incêndio.

Os diversos equipamentos disponíveis oferecem diferentes níveis de segurança. O intertravamento do sistema com a máquina é de suma importância. Devemos estar sempre preocupados com as seguintes variáveis:

-Quebra de folha.

A situação mais comum no dia a dia do usuário, sendo que a instalação de algumas fotocélulas pode oferecer total previsibilidade da quebra.

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-Parada da folha na frente do emissor.

Algumas vezes as fotocélulas da máquina podem não detectar a parada da máquina uma vez que pode não haver quebra de folha, neste caso é importante a instalação de um dispositivo que possa detectar a parada da folha. Um detector indutivo poderá perceber o movimento de rotação de um cilindro ou rolo de apoio. Um sinal do estado do motor que aciona a máquina também deve ser usado para antecipar a parada da folha.

-Posição da folha em relação ao emissor.

Sempre se deve ficar atento para que no caso de haver um afrouxamento da folha sem quebra e sem parada de máquina, que a mesma não se aproxime dos elementos radiantes. Um mecanismo de afastamento do emissor quando este for desligado é sempre recomendado. O afastamento é também importante para que se possa passar a ponta sem dificuldades.

-Tempo máximo para de desligamento e equipamentos de combate a incêndio.

Um tema que deve ser sempre considerado na escolha da tecnologia é o tempo de desligamento. Quanto maior esse tempo mais risco se corre. Portanto para os sistemas de secagem com tempos longos de desligamento, é sempre necessário a utilização de equipamentos de combate a incêndio que devem ser instalados permanentemente na máquina. O uso de água fria pode colocar em risco a estrutura dos cilindros secadores, portanto sempre se recomenda o uso de vapor. O objetivo é o deslocamento da atmosfera e retirando o oxigênio da área em questão. Da mesma forma podemos também utilizar gás carbônico.

-Treinamento de combate a incêndio.

O treinamento das equipes de combate deve estar sempre atualizado, e em especial a atenção deve ser dada a um possível erro estratégico durante o combate. Se houver um principio de incêndio nunca se deve quebrar a folha de papel, ou parar o acionamento da máquina voluntariamente. A densidade de energia necessária para incendiar o papel em movimento é muito grande, e na sua maioria os emissores de infravermelho comerciais não possuem essa densidade de energia por construção. Uma tela secadora, por exemplo, se estiver em movimento poderá suportar tranquilamente uma fonte de calor intenso em um determinado trecho do seu trajeto sem se danificar.

Estudo do balanço de massa e energia.

Para um bom projeto de instalação de sistemas auxiliares de secagem, é necessário que se conheça o processo atual de uma forma diferente da gerencial. Temos que ter em mente que os números que devem ser utilizados para calcular as capacidades existentes devem refletir condições instantâneas e não valores médios. Para que seja possível identificar corretamente o comportamento de um processo, é preciso que se inicie com dados como se tirássemos uma fotografia do processo, com valores de amostragem que tenham significância entre si, caso contrario, poderemos cometer erros drásticos de avaliação e predição.

Havendo um modelo matemático identificado que possa representar corretamente o processo teremos condições de fazer estimativas corretas de resultados. O processo de fabricação de papel ou celulose é um processo multivariável onde regras lineares simples nem sempre correspondem à realidade do processo. Em se tratando de processos onde estão envolvidos mecanismos de termodinâmica devemos sempre utilizar programas de engenharia dedicados a essa tarefa. Com a popularização desses recursos computacionais avançados a custos irrisórios (engenharia da simulação dinâmica de processos), não há mais sentido em não utilizá-los, dado seu grau de contribuição precisão e sua facilidade de uso.

Retorno sobre o investimento

Finalmente chegamos a um dos itens que realmente decide a indicação ou não da aplicabilidade do uso de secadores auxiliares na complementação da secagem ou mesmo como fonte única de energia.

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Podemos dizer que haverá duas classes principais de investimento quando se fala em modificações de processo e utilização de tecnologias. Os investimentos chamados estratégicos, e os com retorno mensurável.

Quando se fala em investimentos estratégicos estaremos lidando principalmente com ganhos não previsíveis como, por exemplo, os de qualidade. Algumas vezes não é possível prever um ganho, mas sabemos que ele ocorrerá como benefício secundário.

Se obtivermos um modelo de previsibilidade de resultados baseado em uma engenharia de processo, resta a etapa final que estará vinculada as questões relativas aos custos fixos e variáveis e ganhos com margem de contribuição.

Conforme citado anteriormente, há vários tipos de ganhos possíveis de serem utilizados no cálculo de retorno, os de redução de custos, os de aumento de produtividade.

O uso de técnicas de secagem auxiliar por infravermelho poderá:

Reduzir o custo específico de energia, pela redução do consumo de vapor.

Aumentar a produção bruta do processo.

Diminuir o volume de defeitos aumentando a eficiência de produção.

Na consideração dos resultados do projeto é importante lembrar que não somente haverá um ganho monetário com relação à margem de contribuição sobre o aumento de produção obtido, mas tão importante quanto, haverá uma diluição do custo fixo, portanto uma redução no custo específico do produto.

Quando se trata em custo fixo e variável, deve-se observar que grande parte do custo energético é fixo e não variável, basta observar as variações de produtividade da máquina e seu consumo energético correspondente que facilmente se poderá demonstrar tal relação. Importante lembrar que o custo energético é intenso na secagem da produção de papel ou celulose.

Basicamente esse fato, que pode ser medido durante a operação da fábrica, está vinculado às perdas térmicas nos elementos de máquina que funcionam no processo, como por exemplo, os motores elétricos os mancais de suporte de eixos rotativos, e superfícies de isolamento térmico etc..

Conclusões

As possibilidades do uso de secadores auxiliares nos processos de fabricação de papel e celulose são imensas. Várias são as tecnologias disponíveis, e são bastante distintas quanto a sua funcionalidade e aplicabilidade.

A compreensão sobre o que é infravermelho e como ele interage com os diversos processos produtivos, é fundamental para uma indicação adequada de aplicação, e para seu uso correto.

A recomendação técnica deverá ser baseada em estudos de termodinâmica que permitam a previsão correta de resultados. Não há mais porque não usar ferramentas avançadas de simulação de processo uma vez que são economicamente acessíveis.

Ao se executar os cálculos de retorno, atenção especial para as questões sobre o custo fixo, uma vez que poderá haver controvérsias de como este custo é apurado.

Como o processo tradicional de secagem a vapor possui limitações intrínsecas na sua eficiência, a busca de métodos mais adequados e eficientes de se produzir secagem encontra lugar definitivo.

As aplicações de infravermelho que hoje já se desenvolvem estão definindo uma nova era na concepção de equipamentos de secagem na industria, e muitas delas já não mais consideram esses equipamentos como auxiliares na secagem e sim fundamentais na obtenção de resultados para suas empresas.

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