Estudo de recuperadores radiativos em fornos de alta temperatura
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| Data de Publicação: | 2017 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSC |
| Texto Completo: | https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/185565 |
Resumo: | Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. |
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Estudo de recuperadores radiativos em fornos de alta temperaturaEngenharia mecânicaPermutadores térmicosFornosDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Abstract : The present dissertation is dedicated to study heat exchangers applied to high temperature furnaces, in order to recover thermal energy from flue gases. Applications as preheating the combustion air, for the purpose of reduce the fuel consumption and others are emphasized. The classification of these equipments is varied, but the two most important types are the recuperators and regenerators. The particularities of each one them are shown in this work. The study is focused on the radiative recuperators due to its extensive use and simplicity in construction and assembly. Traditionally, LMTD and ??-NTU methods are used for the calculation and design of heat exchangers. CFD simulation of the heat transfer and fluid mechanics phenomena are involved, resulting in a numerical solution of temperature distributions and recuperator effectiveness. In addition the influence of parameters such as the flue gases temperature and flow rate, the air flow rate on the effectiveness are studied and some conclusions are presented. Finally, an experimental approach is considered in order to compare the respective results with the simulated one, for a particular type of heat exchanger.INTRODUÇÃO: O aproveitamento da energia residual nos equipamentos industriais como fornos de grande e médio porte é uma tendência cada vez maior, face ao crescente consumo mundial de energia. Este aproveitamento é feito, principalmente, com o uso detrocadores de calor que recuperam parte da energia proveniente dos gases de exaustão, a qual normalmente é utilizada no pré-aquecimento do ar de combustão ou para outros usos como secagem de produtos e condicionamento de ar. No caso de fornos industriais, os recuperadores e os regeneradores são os equipamentos mais usados. As diferenças entre estes dois tipos de equipamentos são explicadas mais detalhadamente neste trabalho. Os recuperadores radiativos tem especial importância devido a sua simplicidade de instalação e por serem os recuperadores mais usados nestes fornos. OBJETIVOS: O objetivo geral deste trabalho é estudar os principais parâmetros que influenciam a efetividade térmica nos recuperadores radiativos, utilizando a metodologia de simulação numérica por CFD. Os objetivos específicos estabelecidos neste trabalho são os seguintes:1. Fazer uma revisão bibliográfica dos recuperadores e regeneradores e um resumo sobre os conceitos fundamentais para o projeto de trocadores de calor;2. Simular com o software ANSYS CFX as configurações mais importantes de recuperadores radiativos para obter a efetividade e outras variáveis de interesse;3. Comparar os resultados simulados com os métodos tradicionalmente utilizados no cálculo de trocadores de calor; e4. Comparar os modelos simulados com medições feitas em um trocador instalado e em funcionamento. MATERIAIS E METODOS: A metodologia deste trabalho consiste em construir modelos discretizados de um trocador de tubos concêntricos a contra-corrente, utilizando o software ANSYS CFX, o qual é baseado no método dos volumes finitos. Variáveis como vazão mássica e temperatura são alteradas para o ar e gases de exaustão, de forma a determinar a influência destas na efetividade do trocador. Diferentes configurações geométricas (sem aletas, com aletas, com tubulações internas), também são analisadas. Uma abordagem experimental é feita para comparar os valores simulados com os valores medidos. RESULTADOS: No primeiro caso analisado, a temperatura e a vazão do gases de exaustão foram variadas. A geometria foi fixada e consiste em uma chaminé cilíndrica por onde escoam os gases de exaustão, ao redor da qual escoa o ar para pré-aquecimento, sendo o recuperador isolado na parte exterior. Os resultados obtidos mostram que, à medida que a vazão dos gases de exaustão aumenta, a efetividade do trocador aumenta também. Para o caso de uma temperature de entrada dos gases de exaustão de 1200 K e uma vazão de 0,0842 kg/s, a efetividade calculada pela simulacão é de 30%. Já para o caso de uma temperatura 530 K e uma vazão de 0,5 kg/s, a efetividade aumentou a um valor de 51%. A efetividade analítica calculada pelo método ??-NTU para a temperatura de entrada de gases de 1200 K e uma vaão de 0,0842 kg/s é de 1,6% e para uma temperatura e vazão de gases de 530 K e 0,5 kg/s respetivamente, a efetividade pelo método ??-NTU aumenta para 2,1%. No segundo caso, apenas a vazão de ar mudou. As condições dos gases na entrada foram fixadas em 1200 K e 0,0842 kg/s e a temperatura na entrada do ar foi fixada em 298 K. A efetividade foi de 34% para o caso de 0,5 kg/s de vazão de ar e foi de 35% para a vazão de ar de 1 kg/s. As efetividades pelo método ??-NTU são de 6,0% para uma vazão de 0,5 kg/s e de 15,5% para o caso de uma vazão de 1 kg/s . No terceiro caso, foi mudada a geometria da parede exterior da chaminé e foram adicionadas aletas para aumentar a superfície de troca de calor com o ar. Para umas condições de 0,0842 kg/s e 1200 K de entrada nos gases de exaustão e uma vazão de 0,1 kg/s de ar a 298 K e com a adição de 80 aletas, a efetividade resultou em 42%. A queda de pressão com o aumento de aletas também foi calculado. Para o caso sem aletas a queda de pressão resultou em 10,2 Pa e 128,2 Pa para o caso de 80 aletas. O último caso analisado foi uma geometria tipo gaiola onde escoa o ar por tubulações no interior da chaminé. A efetividade resultou no maior valor dentre todos os casos de 45%. Entretanto a queda de pressão calculada foi de 420 Pa. A análise experimental apresentou um bom resultado comparado com a solução simulada, tendo uma diferença de aproximadamente 11 K nas temperaturas de saída, tanto de ar e de gases. A redução no consumo de combustível foi calculada e apresentou um valor de 38% para um trocador montado num forno de cristais, considerando apenas a perda de energia no forno, não incluindo a perda associada aos gases de exaustão. Aumentando o comprimento do trocador em quatro vezes, ocorre a diminuição do consumo de combustível em 51%, além do que aumenta a efetividade do trocador em 35%. CONCLUSÕES: As efetividades do recuperador são diretamente proporcionais à vazão dos gases de exaustão; quanto maior esta vazão, maior é a efetividade. Os métodos tradicionais de cálculo de trocadores de calor, como o método ??-NTU, apresentam resultados afastados dos resultados simulados, pelo fato de não ter em conta a radiação dos gases de exaustão. Esta diferença é quase de 90%. Dessa forma, os métodos tradicionais apresentam uma diferença no caso de recuperadores radiativos para temperaturas superiores a 1200 K. Quando a temperatura dos gases diminui e a vazão aumenta, a radiação térmica deixa de ser o mecanismo dominante. Como trabalho futuro propõe-se um parâmetro para classificar os recuperadores baseado no principal mecanismo de trasferência de calor. O uso de superfícies extendidas aumenta a efetividade dos recuperadores, mas também aumenta a queda de pressão no escoamento. Um número ótimo de aletas poderia ser calculado para uma queda de pressão adequada. A redução em consumo de combustivel é considerável; quando o ar é pré-aquecido até ~600 K a redução pode chegar a 51% das perdas associadas ao forno.Nicolau, Vicente de PauloUniversidade Federal de Santa CatarinaPuentes Beltrán, Raúl Andrés2018-04-13T19:35:58Z2018-04-13T19:35:58Z2017info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis117 p.| il., gráfs.application/pdf350312https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/185565engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2018-04-13T19:35:58Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/185565Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732018-04-13T19:35:58Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false |
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