Otimização Energética e Térmica de Fornos de Vidro Float por Meio de CFD

Resumo

Introdução
A indústria de vidro plano, especialmente a que opera pelo processo float, enfrenta desafios críticos relacionados à eficiência térmica, controle de emissões e sustentabilidade energética. Com o crescente custo energético e exigências ambientais mais rigorosas, torna-se essencial otimizar o desempenho dos fornos industriais.
Neste contexto, esta pesquisa utiliza a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD, do inglês Computational Fluid Dynamics) para modelar, analisar e propor melhorias no desempenho térmico de fornos de vidro plano, combinando modelagem de transferência de calor, escoamento turbulento e combustão. A metodologia empregada visa contribuir para processos mais eficientes, com menor consumo energético e emissão de poluentes.
 
Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um modelo computacional de um forno industrial de vidro plano, com foco na análise dos perfis de temperatura, velocidade e campos de concentração de espécies químicas, além de propor estratégias de otimização. Os objetivos específicos incluem:
Modelar a geometria tridimensional representativa de um forno float glass;
Simular o comportamento térmico e fluidodinâmico com diferentes condições de operação;
Avaliar o impacto de alterações geométricas e operacionais sobre a eficiência energética;
Propor melhorias baseadas em inteligência computacional e validação experimental.
Metodologia
A modelagem é realizada utilizando a ferramenta CFD integrada ao software Star-CCM+, com a seguinte abordagem:
Geometria: Representação tridimensional simplificada baseada em dados industriais típicos.
Malha computacional: Refinamento progressivo nas regiões críticas (zona de combustão, interface vidro-ar).
Modelos físicos: Uso de modelos como RANS para turbulência, radiação térmica (DOM – Discrete Ordinates Model), transferência de calor conjugada, combustão etc.
Condições de contorno: Baseadas em operação real (potência térmica, operação contínua, entradas e saídas de material etc).
Simulações paramétricas: Variação de parâmetros como diferentes taxas de extração, variação do padrão térmico, variações de fluxo, taxa de recirculação de gases etc.
Resultados e Discussão
Os primeiros resultados indicam que pequenos desvios nos parâmetros operacionais do forno podem impactar fortemente sua eficiência térmica e estrutural. Aspectos como a distribuição da chama, a taxa de extração de material fundido e a velocidade dos arejadores responsáveis pelo resfriamento requerem monitoramento contínuo e ajustes finos. A simulação mostra que variações mesmo modestas a partir das condições ótimas causam:
Desbalanceamento energético, elevando o consumo de combustível;
Desgaste acelerado de componentes refratários, exigindo paradas para manutenção com menor período;
Modificação do padrão de circulação interna, o que afeta diretamente a qualidade do vidro produzido, seja pela formação de bolhas, vórtices indesejados ou gradientes térmicos excessivos;
Além disso, os modelos computacionais permitem visualizar com precisão os padrões internos de escoamento e troca de calor, fornecendo subsídios para decisões de engenharia mais assertivas.
Importante destacar que a pesquisa encontra-se em fase inicial. Os resultados aqui discutidos referem-se às simulações preliminares e à calibração do modelo. As próximas etapas incluirão uma análise paramétrica mais ampla, acoplamento com modelos de otimização e possível integração com dados industriais reais para validação completa.
Conclusão
O estudo demonstra que o uso de CFD é uma ferramenta robusta e indispensável na análise e otimização de fornos de vidro plano. Além de permitir um entendimento detalhado dos mecanismos físicos envolvidos, as simulações orientam decisões que resultam em economia energética significativa, redução de emissões, melhoria da qualidade do produto final e, quando aplicadas mesmo em pequena escala, uma expressiva economia anual (1 % de ganho em otimização pode gerar mais de R$: 1 milhão de economia anualmente).
Este trabalho abre caminho para estudos futuros integrando inteligência artificial (como algoritmos genéticos ou machine learning) e gêmeos digitais industriais (digital twins) para controle em tempo real.
Palavras-chave: Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD); Eficiência Energética; Transferência de Calor;  Fornos de Vidro Plano.
 
 
Referências
 
LI, Luyao et al. Three-dimensional glass furnace model of combustion space and glass tank with electric boosting. International Journal of Applied Glass Science, v. 12, n. 4, p. 550–566, 2021.
 
SIEMENS AG. Float glass industry: energy-efficient automation solutions. [S.l.], 2017. Disponível em:https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:3c1237c2-4767-4eab-856f-c2405ae3809c/float-glass-industry-brochure.pdf. Acesso em: 15 jul. 2025.
 
SIEMENS AG. Energy-efficient automation solutions for the glass industry. Siemens Support. [S.l.], 2018. Disponível em: https://support.industry.siemens.com/cs/document/109479443/. Acesso em: 15 jul. 2025.