Óleo térmico para transferência de calor é o óleo que circula num circuito de tubos e leva calor de um aquecedor até as máquinas, como a prensa, o tanque ou o cilindro, bem acima de 100 °C. Ele circula como a água do motor do carro, mas leva calor até a máquina em vez de tirar, e continua líquido muito acima do ponto em que a água ferve, sem pressão alta. A seguir, você vê como o circuito funciona, por que o óleo se desgasta e como conferir o seu.
Para que serve o óleo térmico?
O óleo térmico serve para aquecer processos industriais acima de 100 °C sem a pressão alta que a água exigiria. Para entender por que isso importa, pense na cozinha.
Na panela comum, a água para de esquentar nos 100 °C, porque ferve e vira vapor. Para passar disso, a panela de pressão prende o vapor, e a pressão lá dentro sobe. Na fábrica é igual: aquecer um processo a 200 °C com água exigiria uma tubulação inteira feita para aguentar pressão alta, com vaso, válvulas e tubos próprios para isso.
Muita gente imagina que o óleo leva mais calor que a água. A água até carrega mais calor em cada litro; o problema dela é a pressão. O óleo térmico chega a essas temperaturas ainda líquido, sem panela de pressão: a pressão no circuito fica baixa, quase só a que a bomba faz para o óleo andar.
Em vários usos o óleo entrega o calor por um trocador de calor, o equipamento em que o óleo quente passa de um lado de uma parede de metal e o produto do outro, sem se misturarem. Onde o óleo térmico aparece:
prensas de compensado, MDF e borracha, com pratos aquecidos por dentro;
usinas de asfalto, para manter o ligante (o próprio asfalto, o piche preto) fluido em tanques e linhas;
cilindros e calandras (rolos aquecidos que prensam e alisam a folha) de papel, tecido e plástico;
reatores e tanques da indústria química, de resinas e de tintas;
fritadeiras contínuas e fornos de alimentos, por trocador de calor, sem contato com o alimento.
Na indústria de alimentos, o projeto pode exigir um fluido aprovado para contato acidental com o alimento; nesse caso, confirme com a Equipe Técnica.
Para quem precisa do número: a água fica líquida a 200 °C sob cerca de 15,5 bar absolutos, umas 15 vezes a pressão do ar ao nível do mar (tabela de vapor IAPWS-IF97).
O que é óleo térmico?
Óleo térmico é um óleo formulado para circular quente e entregar calor durante anos. Pense no óleo de cozinha que aguenta a fritura, agora feito para ficar quente o tempo todo.
Ele também é chamado de fluido térmico ou fluido de transferência de calor, e tem duas partes. A primeira é o óleo básico, que forma quase todo o produto. A segunda são os aditivos, produtos químicos em pequena dose que dão ou reforçam uma qualidade.
Boa parte dos óleos térmicos usa óleo básico mineral, tirado do petróleo e muito refinado para durar no calor (veja como se refina o óleo básico).
Há também óleos térmicos sintéticos, montados por reação química a partir de moléculas escolhidas. O sintético é para quando o processo passa do que o mineral aguenta. Se a temperatura máxima do seu circuito, informada pelo fabricante do aquecedor, está acima do limite de uso indicado para o óleo mineral, o caso é do sintético (veja a diferença entre óleo sintético, semissintético e mineral).
O aditivo principal é o antioxidante, que retarda a reação do óleo com o oxigênio do ar. Do óleo térmico pronto, a fábrica espera cinco coisas:
continuar líquido e soltar pouco vapor na temperatura de trabalho;
carregar bastante calor em cada litro;
passar esse calor rápido para a parede do tubo;
escorrer fácil pela bomba;
aguentar milhares de horas quente sem se quebrar.
A Kelpen Oil formula a linha Thermmo de óleos térmicos, nas versões mineral e sintética.
Para quem precisa do número: a API 1509 separa os óleos básicos em cinco grupos. A extração com solvente costuma dar o Grupo I, e o refino com hidrogênio, os Grupos II e III. O Grupo IV reúne as polialfaolefinas, sintéticas, e o Grupo V, todo o resto, como os óleos naftênicos e os aromáticos sintéticos comuns em fluido térmico.
Como funciona um sistema de óleo térmico?
O sistema é um circuito fechado de tubos em que o mesmo óleo esquenta, entrega calor e volta, milhares de vezes. Lembra o sangue, que sai do coração, leva calor ao corpo inteiro e volta sempre pelo mesmo caminho. O trajeto do óleo:
A bomba empurra o óleo para o aquecedor (no chão de fábrica, chamado de caldeira de óleo térmico), um tubo enrolado em espiral (a serpentina) aquecido por queimador ou por resistência elétrica.
O óleo sai quente e vai aos consumidores: a prensa, o tanque, o cilindro.
Ali ele cede calor pela parede do equipamento e volta mais frio, pela linha de retorno.
O óleo volta à bomba e o ciclo recomeça.
Fora desse caminho, o circuito tem um tanque de expansão, no ponto mais alto, ligado ao retorno (o lado mais frio) antes da bomba. Para que ele serve? O óleo quente ocupa mais espaço que o frio (é a dilatação). Esse volume a mais vai para o tanque, que também mantém a bomba sempre cheia de óleo.
O tanque tem ainda uma ligação por cima, para o ar ou para um gás; o que fica desse lado muda a vida do óleo, e você vai ver isso mais adiante.
Figura 1. O circuito de óleo térmico. A bomba empurra o óleo ao aquecedor; o óleo quente (vermelho) cede calor ao consumidor e volta mais frio (azul). O tanque de expansão fica no ponto mais alto, ligado ao retorno antes da bomba.
O óleo passa milhares de vezes pelo aquecedor, e é lá que ele mais sofre.
Onde o óleo térmico sofre mais dentro do circuito?
O óleo térmico sofre mais na camada encostada na parede dos tubos do aquecedor. Pense numa frigideira no fogo: o óleo do fundo esquenta antes e mais que o de cima, e mexer espalha o calor. No aquecedor acontece o mesmo, e a parede do tubo fica mais quente que o óleo que passa no meio dele.
Essa camada fina de óleo encostada na parede é a mais quente, e a temperatura dela se chama temperatura de filme: a mais alta que o óleo enfrenta no circuito.
O que mantém essa camada sob controle é a vazão, o quanto de óleo passa por segundo. Com vazão boa, o óleo corre agitado (o escoamento turbulento). Mesmo assim, sobra encostada no metal uma camada quase parada. A agitação deixa essa camada fina, e ela troca calor rápido com o resto do óleo.
Figura 2. A camada de óleo encostada na parede do tubo é a mais quente. Com vazão boa ela fica fina; com vazão baixa ela engrossa e esquenta mais.
Quatro situações esquentam essa camada além da conta:
vazão baixa, por bomba gasta, filtro entupido ou válvula mal aberta;
queimador desregulado, com a chama batendo na parede do tubo;
depósito grudado por dentro do tubo, que esquenta o metal e prende óleo parado junto à parede (a origem desse depósito vem logo a seguir);
parar a bomba com o aquecedor ainda quente: o óleo fica parado dentro do tubo quente e cozinha ali. Por isso o queimador apaga primeiro, e a bomba segue girando até o óleo esfriar a uma temperatura segura.
Para quem quer a norma: a classificação ISO 6743-12, dos fluidos térmicos, indica o limite de uso pela temperatura de massa, a temperatura média do óleo que sai do aquecedor. No aquecedor, a temperatura de filme é sempre maior que essa média, e é ela que limita o fluido.
Por que o óleo térmico se degrada?
O óleo térmico se degrada por três causas: calor em excesso, oxigênio do ar e contaminação. É o que acontece com o óleo de fritura reaproveitado demais, que escurece e começa a soltar fumaça mais cedo.
Calor em excesso. O calor parte as moléculas: é o craqueamento térmico. Os pedaços pequenos evaporam fácil, e o óleo afina e passa a soltar vapor inflamável em temperatura mais baixa. Esse limite se chama ponto de fulgor: a menor temperatura em que o vapor do óleo pega fogo por um instante quando se aproxima uma chama.
Outros pedaços se juntam em moléculas grandes, o que engrossa o óleo. Quando essas moléculas passam do que o óleo consegue manter dissolvido, elas grudam na parede quente e viram coque, uma crosta dura de carbono.
Oxigênio do ar. O óleo quente reage com o oxigênio, e essa reação se chama oxidação. É a mesma que que deixa a manteiga rançosa fora da geladeira, acelerada pelo calor, e leva a ácidos, a óleo mais grosso e a borra, um resíduo pastoso que gruda em tubo e válvula.
Peças de cobre, latão ou bronze em contato com o óleo quente aceleram essa reação, por isso o circuito evita essas ligas.
Contaminação. Água ou produto do processo (como o asfalto) entram por um trocador furado, e a água entra também pelo tanque de expansão. Outra contaminação é o óleo diferente posto por engano na reposição. A água vira vapor de repente dentro do óleo quente e dá trancos na bomba e na tubulação.
Por isso a primeira partida, e toda partida depois de manutenção, aquece o sistema em etapas, para a água sair pelo tanque de expansão.
O coque ainda fecha um ciclo ruim. Ele isola a parede: o metal do tubo esquenta mais, o que pode deformar ou furar o tubo, e o óleo que fica preso e parado no depósito se quebra ainda mais, o que forma mais coque.
Figura 3. O calor parte a molécula do óleo. Os pedaços leves evaporam e baixam o ponto de fulgor; os pesados engrossam o óleo e viram coque na parede, que esquenta o metal do tubo e forma mais coque.
Como isso aparece na sua fábrica:
a prensa ou o tanque demora mais para chegar à temperatura;
o queimador fica mais tempo ligado;
a bomba faz mais ruído ou puxa mais corrente;
a amostra sai escura e com cheiro de queimado;
sai mais vapor do que antes pela ligação de cima do tanque de expansão.
Sistema aberto ou fechado: o que muda na escolha?
A diferença está no que ocupa o espaço de cima do tanque de expansão: ar, no sistema aberto, ou gás, no fechado. Com ar, o óleo oxida mais e o vapor dele encontra o oxigênio, então a escolha do óleo precisa olhar também o ponto de fulgor.
No sistema aberto, o tanque de expansão tem um respiro, uma abertura para o ar, e o óleo toca o ar ali. No sistema fechado, o tanque é selado, e o espaço vazio recebe um gás inerte, que não reage com o óleo. Quase sempre é o nitrogênio (N₂), o mesmo gás que forma a maior parte do ar que respiramos. O que faz mal ao óleo quente é o oxigênio (O₂) do ar, que reage com ele; o nitrogênio não reage.
Figura 4. No sistema aberto, o respiro deixa o ar tocar o óleo no tanque de expansão. No sistema fechado, o tanque é selado e o nitrogênio ocupa o espaço de cima, por uma ligação ao gás. Cada tanque se liga ao retorno do circuito da Figura 1.
As duas consequências:
Oxidação: no sistema fechado, sem oxigênio, a reação que forma ácidos e borra quase não acontece, e a carga dura mais.
Segurança: no tanque aberto, o vapor do óleo encontra o ar. Para esse vapor nunca chegar a pegar fogo, o ponto de fulgor do óleo precisa ficar com folga acima da temperatura do óleo no tanque.
Por isso o tanque fica ligado ao retorno, o lado mais frio, e o óleo dentro dele quase não circula: frio, ele oxida menos e solta menos vapor. Na prática, a folga se confere no projeto e de novo em cada análise, porque o ponto de fulgor cai quando o óleo craqueia.
Uma regra de segurança vale para todo circuito. No aquecedor e nas linhas, o óleo pode trabalhar acima do próprio ponto de fulgor. Dentro do tubo, sem ar, ele não pega fogo.
O perigo é o vazamento a quente, sobretudo o que encharca o isolamento térmico, a manta que envolve os tubos: ali o óleo reage devagar com o ar, esquenta e pode pegar fogo sozinho, sem chama. Vazamento se conserta logo.
Para quem precisa do número: na especificação do óleo novo, o ponto de fulgor costuma ser medido em vaso aberto Cleveland, em que o óleo aquece num copo aberto e uma chama passa por cima (ASTM D92 e NBR 11341, para produtos com fulgor de 79 °C a 400 °C). A folga sobre o tanque se confere sempre pelo mesmo método de ensaio. O vaso aberto serve para acompanhar o óleo em uso porque o que importa é a tendência: o resultado se compara com o do óleo novo, medido pelo mesmo método.
Qual a viscosidade do óleo térmico?
A viscosidade do óleo térmico é a que o fabricante do aquecedor indica, e costuma ser baixa. Viscosidade é a resistência do óleo a escorrer: o mel tem viscosidade alta, a água tem baixa.
A indústria expressa a viscosidade pelo grau ISO VG, o número que vem no nome do óleo (por exemplo, 46 ou 68), medido a 40 °C (entenda o que significa ISO VG).
Na temperatura de trabalho, bem acima desses 40 °C, todo óleo térmico fica muito fino. A diferença entre os graus aparece mais no aquecimento: o óleo ainda frio está grosso, a bomba move menos óleo, e o queimador já está aceso. O projeto do aquecedor conta com o grau indicado para a vazão dar conta disso. Um grau mais grosso, posto por conta própria, reduz a vazão e esquenta a camada da parede do tubo.
A linha Thermmo é oferecida em diferentes graus ISO VG; a Equipe Técnica Kelpen Oil confirma o do seu projeto.
Para quem quer a norma: pela ISO 3448, o grau ISO VG é a viscosidade cinemática a 40 °C em cSt (centistokes), com tolerância de 10% para cada lado do ponto médio. Por exemplo, o ISO VG 32 vai de 28,8 a 35,2 cSt.
Como saber se o óleo térmico ainda está bom?
Você sabe se o óleo térmico ainda está bom pela análise de uma amostra, comparada com o óleo novo. Funciona como o exame de sangue de rotina, que acha o problema antes do sintoma.
A amostra sai com o óleo circulando, sempre do mesmo lugar, por um ponto de coleta com resfriador, para o óleo sair frio. Óleo quente queima a pele e, em contato com o ar, pode pegar fogo. Ele também perde os compostos leves no frasco, e a análise passa a mostrar um óleo melhor do que o que está no circuito.
A referência é o óleo novo: cada leitura se compara com ele, e o que conta é a direção da mudança entre uma coleta e outra, a tendência (veja os tipos de análise de óleo). Anote cada reposição de óleo novo, porque ela dilui o óleo usado e muda a leitura.
Uma das leituras é a acidez. A oxidação forma ácidos, e o laboratório mede quanto ácido há no óleo, o número de acidez (TAN, sigla em inglês). Junto com a viscosidade, o ponto de fulgor e a água, ela forma quatro leituras que se cruzam assim:
viscosidade e acidez subindo juntas: oxidação;
viscosidade subindo com a acidez parada: moléculas grandes do craqueamento, a caminho do coque, ou mistura com um produto mais pesado;
ponto de fulgor e viscosidade caindo: compostos leves do craqueamento, ou mistura com um produto mais leve;
água presente: entrada pelo tanque de expansão ou por trocador furado, com risco de trancos de vapor.
Figura 5. A leitura cruzada da análise, sempre comparada ao óleo novo: cada combinação de resultados aponta uma causa.
A carga é trocada pela condição: quando as leituras saem da faixa combinada com o fornecedor do óleo e com o fabricante do aquecedor, ou quando a tendência acelera. O calendário, sozinho, não mostra isso.
Para quem quer a norma: a DIN 51529 trata do ensaio e da avaliação do fluido térmico usado. Os laboratórios que seguem essa norma medem o ponto de fulgor em vaso fechado (ASTM D93, Pensky-Martens): o copo tampado prende o vapor, e por isso o ensaio acusa melhor os leves do craqueamento e dá valor menor que o do vaso aberto. Compare sempre resultados do mesmo método.
Esses laboratórios medem também:
- os insolúveis (a sujeira sólida que não se dissolve no óleo);
- o resíduo de carbono, que junto com os insolúveis mostra o coque se formando;
- a faixa de ebulição (as temperaturas em que o óleo começa e termina de ferver), que separa leves e pesados;
- o TAN, que no Brasil é medido pela NBR 14448, baseada na ASTM D664.
Como a Kelpen Oil confere o óleo térmico em uso?
A Kelpen Oil analisa o óleo térmico em uso no seu laboratório próprio em Arujá (SP), o mesmo que aprova cada lote que ela formula. São 25 análises por normas ASTM, NBR e ISO, na lógica do laboratório de análise de lubrificantes. A análise de óleo em uso é um serviço pago.
Junto com a amostra, vale mandar o nome do produto e, se houver, uma amostra do óleo novo da mesma carga, que serve de referência. No óleo térmico, cinco ensaios contam a história da carga:
| O que medimos | O que revela no óleo térmico em uso | Norma e equipamento |
|---|---|---|
| Viscosidade a 40 °C e a 100 °C (cSt) | Se o óleo afinou ou engrossou em relação ao novo | ASTM D7042, viscosímetro SVM 4001 |
| Ponto de fulgor em vaso aberto Cleveland (°C) | Queda do ponto de fulgor em relação ao óleo novo medido pelo mesmo método, sinal de compostos leves do craqueamento | NBR 11341, Tanaka |
| Número de acidez, TAN | Ácidos formados pela oxidação | NBR 14448, Titrino Plus |
| Água | Entrada de umidade e risco de trancos de vapor | Karl Fischer coulométrico, uma reação química que só acontece com a água e acusa teor muito pequeno |
| Espectro de infravermelho | A impressão digital química do óleo; comparada com a do óleo novo, mostra produtos de oxidação e mistura com outro óleo | ASTM E2412, Spectrum Two |
Qual óleo térmico usar em cada sistema?
Primeiro vem a temperatura máxima do processo, que diz se o óleo mineral atende; depois o tipo de circuito. O grau ISO VG é sempre o que o fabricante do aquecedor indica, sem trocar por conta própria.
| Se na sua fábrica… | O que pedir | Por quê |
|---|---|---|
| O processo passa do que o óleo mineral aguenta | Fale com a Equipe Técnica | Esse caso pede uma análise do projeto |
| O tanque de expansão é selado com nitrogênio (sistema fechado) | Óleo térmico mineral no grau do projeto, dentro da temperatura que o mineral aguenta | Sem ar, a oxidação é mínima |
| O tanque fica aberto ao ar | Óleo térmico mineral, com folga de ponto de fulgor sobre a temperatura do óleo no tanque | O ar acelera a oxidação, e o vapor do óleo encontra o ar |
| É um destes casos: partida em ambiente frio, aquecedor de fase vapor (o fluido ferve no aquecedor e condensa no consumidor) ou fluido para contato acidental com alimentos | Fale com a Equipe Técnica | Cada um pede uma análise do projeto |
| A carga escureceu, a bomba força ou o aquecedor perde rendimento | Análise do óleo antes de trocar | Mostra se o óleo craqueou, oxidou ou foi contaminado |
A linha Thermmo, da Kelpen Oil, tem versões mineral e sintética; a Equipe Técnica indica a versão e o grau para o seu circuito.
Perguntas frequentes
Pode usar óleo hidráulico como óleo térmico? Não é recomendado. O óleo hidráulico antidesgaste leva aditivos feitos para proteger bomba e válvula em temperatura moderada; na parede quente do aquecedor, acima da temperatura prevista para eles, eles se decompõem e formam depósito. O óleo térmico é formulado para ficar quente o tempo todo.
Quando trocar o óleo térmico? Pela análise: quando viscosidade, ponto de fulgor ou acidez saem da faixa combinada com o fornecedor do óleo e o fabricante do aquecedor, ou quando a tendência entre duas coletas mostra o desgaste acelerando. Na troca, drene com o sistema morno: o óleo ainda escorre bem e não queima ninguém. Depois, verifique se há coque ou borra para limpar antes da carga nova.
Pode completar o nível com óleo novo? Pode, com o mesmo produto da carga, anotando cada volume reposto. Consumo alto indica vazamento ou saída de compostos leves pela ligação de cima do tanque de expansão; completar sem anotar esconde esse sinal, e o óleo novo dilui o usado, o que muda a leitura da próxima análise.
Óleo térmico serve para usina de asfalto? Sim. A usina usa óleo térmico para manter o asfalto fluido em tanques e linhas. Vale o mesmo cuidado de todo circuito: conhecer o tipo de tanque de expansão, respeitar o grau do projeto e acompanhar a carga por análise.
Glossário
Temperatura de filme: temperatura da camada de óleo encostada na parede do tubo do aquecedor, a mais alta do circuito.
Craqueamento térmico: quebra das moléculas do óleo por calor em excesso.
Ponto de fulgor: menor temperatura em que o vapor do óleo pega fogo por um instante quando se aproxima uma chama.
Coque: crosta dura de carbono que gruda na parede quente do tubo.
Borra: resíduo pastoso da oxidação do óleo, que gruda em tubo e válvula.
TAN (número de acidez): medida de quanto ácido há no óleo, que sobe com a oxidação.
Fale com a Equipe Técnica
A Equipe Técnica Kelpen Oil avalia o tipo de sistema, a temperatura máxima do processo, o grau pedido pelo fabricante do aquecedor e o histórico da carga, e indica a versão e o grau da linha Thermmo. Se o óleo já está em uso, o laboratório de Arujá (SP) faz a análise do óleo em uso, como serviço pago.
Antes de comprar a próxima carga, anote três coisas do seu circuito: se o tanque de expansão tem respiro para o ar ou recebe nitrogênio, o grau ISO VG que o manual do aquecedor pede e a temperatura do óleo na saída do aquecedor. Com elas, a escolha fica certa. Envie este artigo para quem cuida do aquecedor na sua empresa.
