Simulação numérica do processo de secagem de concretos refratários em aplicações tecnológicas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Cunha, Túlio Mumic
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16209
Resumo: Refractory ceramics are used in high temperatures due to their unique properties that enable a high thermal and chemical stability, mechanical strength, thermal properties and others. These materials are split into two main groups: shaped and monolithic. The latter acquires its shape during application and is commonly obtained as a powder, to which a liquid, commonly water, is added for mixing and for reacting with the binding agents to guarantee suitable green strength. Following, it is subjected to careful heating schedule to withdraw this water, because rapid generation of steam can lead to the failure of the lining. The drying process is often approached empirically in the industry, and this work aims to introduce a computational methodology for comparison and optimization of such heating profiles. Initially, a finite element method modeling was developed, with the help of a library, in Python, which was the basis for a number of simulations that were divided into three stages: profiles with constant heating rate, others with a plateau and also complex curves. The analyzes showed the need to use properties as a function of temperature, so it is as close as possible to a real material; high heating rates (≥ 50°C/h) are viable for linings with small thickness (< 20 cm); the withdrawal of free water at plateaus with temperatures below, but close to, the temperature of the beginning of the hydrate decomposition process enables the use of short plateaus at higher temperatures, speeding the drying process. Finally, using indicators such as drying status, resistance ratio and energy consumption, it was possible to compare the curves with each other to choose the one that best meets the needs of the end-user.
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The latter acquires its shape during application and is commonly obtained as a powder, to which a liquid, commonly water, is added for mixing and for reacting with the binding agents to guarantee suitable green strength. Following, it is subjected to careful heating schedule to withdraw this water, because rapid generation of steam can lead to the failure of the lining. The drying process is often approached empirically in the industry, and this work aims to introduce a computational methodology for comparison and optimization of such heating profiles. Initially, a finite element method modeling was developed, with the help of a library, in Python, which was the basis for a number of simulations that were divided into three stages: profiles with constant heating rate, others with a plateau and also complex curves. The analyzes showed the need to use properties as a function of temperature, so it is as close as possible to a real material; high heating rates (≥ 50°C/h) are viable for linings with small thickness (< 20 cm); the withdrawal of free water at plateaus with temperatures below, but close to, the temperature of the beginning of the hydrate decomposition process enables the use of short plateaus at higher temperatures, speeding the drying process. Finally, using indicators such as drying status, resistance ratio and energy consumption, it was possible to compare the curves with each other to choose the one that best meets the needs of the end-user.Cerâmicas refratárias são aplicadas em altas temperaturas devido ao seu conjunto de propriedades que garantem elevada estabilidade térmica e química, resistência mecânica e propriedades térmicas. Estes materiais são divididos em dois grupos: os conformados e os monolíticos. O segundo grupo adquire seu formato durante a aplicação e comumente é obtido na forma de um pó, o qual se adiciona um líquido, comumente a água, para mistura e reação com os agentes ligantes para garantir uma resistência a verde adequada. Este material então é submetido a um aquecimento cauteloso, para a retirada desta água, uma vez que a geração de vapor de forma rápida pode acarretar em fratura do material. O processo de secagem, muitas vezes, é abordado na indústria de forma empírica e conservadora, por isto este trabalho busca introduzir metodologias computacionais para comparação e otimização de tais perfis de aquecimento. Inicialmente desenvolveu-se um modelamento por método dos elementos finitos, com a biblioteca FEniCS, em Python, o qual serviu de base para um número de simulações que foram dividas em três partes: curvas com taxa de aquecimento constante, curvas com um patamar e curvas complexas. As análises mostraram a necessidade do uso de propriedades físicas em função da temperatura, a fim de se aproximar do comportamento real do material; que elevadas taxas de aquecimento (≥ 50°C/h) são viáveis para revestimentos com baixa espessura (< 20 cm); que a retirada de água livre em patamares com temperaturas abaixo, porém próximas, da temperatura de início da decomposição dos hidratos viabiliza o uso de patamares de curta duração em temperaturas mais elevadas, agilizando o processo de secagem. Por fim, utilizando indicadores como estado da secagem, razão de resistência e consumo energético, foi possível comparar as curvas entre si para optar-se por aquela que melhor atende as necessidades do usuário final.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)134347/2019-6porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessconcreto refratáriosecagemotimizaçãosimulação numéricarefractory concretedryingoptimizationnumerical simulationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSSimulação numérica do processo de secagem de concretos refratários em aplicações tecnológicasNumerical simulation of the drying process of refractable castables in technological applicationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600390bd4d1-c505-4015-b043-b075d197c61freponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdfTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdfDissertaçãoapplication/pdf11494057https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/1/T%c3%balio%20Mumic%20Cunha%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf39ccbafeaaff1f3f07aa48e4d11c86b6MD51BCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta Comprovanteapplication/pdf332519https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdfc02df9c576ee98628011363313eb61abMD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdf.txtTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain184419https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/4/T%c3%balio%20Mumic%20Cunha%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.txta96bbef469378269a4e616842c772344MD54BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD56THUMBNAILTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdf.jpgTúlio Mumic Cunha - Dissertação.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6200https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/5/T%c3%balio%20Mumic%20Cunha%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.jpg5223a11462d232dcfeb856878abceae1MD55BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg16776https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16209/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.jpgcdb7c02040512d39bd8e7d3bbd42efecMD57ufscar/162092023-09-18 18:32:16.435oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16209Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:16Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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