Simulação de transferência de calor por radiação em cavidades de fornos domésticos a gás usando o método de Monte Carlo

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Delgado, Jair Alexander Torres
Data de Publicação: 2015
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/169584
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015.
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spelling Simulação de transferência de calor por radiação em cavidades de fornos domésticos a gás usando o método de Monte Carlo Engenharia mecânicaMonte Carlo, Método deCalorTransmissãoFornosDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015.Abstract: Newer designs for more efficient and effective ovens require the capability of modeling the radiative heat transfer among surfaces of different finishing whose radiation exchange is blocked by the presence of cooking trays. Here, a Monte Carlo simulation of the thermal radiation exchange among surfaces of a domestic oven cavity blocked by a cooking tray is developed in order to calculate view factors and net radiation heat transfer rates. The Monte Carlo technique provides the required flexibility to support the future analysis of more intricate designs. Initially, a ray tracing algorithm to obtain the view factors is tested and validated for different configurations. A convergence analysis of the accuracy and dispersion of the results is done by comparison with available solutions. A mean view factor of 100 runs of the algorithm with 10.000 rays emitted resulted in error smaller than 0.4 % when compared with analytical solutions and standard deviations relative to mean less than 0.0050 in all test configurations. The algorithm is also implemented for multiple view factors of the blocked rectangular cavity adding a multi-zones approach to tracing rays in geometry with obstacles. The simulation shows high accuracy as well reaching values smaller than 0.3% for 1 run of ?10?^7 rays. Then, a heat transfer algorithm is developed assuming that the surfaces are gray and using a random absorption probability function to model the global hemispherical absorptivity of the surfaces. The boundary conditions for radiative simulations are provided by measurements of temperature in a conventional oven cavity. The algorithm for radiative exchange is validated with the thermal resistances network method reaching deviations smaller than 4% for 60000 rays emitted from each surface of the cavity. The standard deviation relative to mean fluxes of 50 runs converged to 1 W/m^2 in all surfaces when ?10?^6 rays are used. Following, a study of the effects of surface finishing in the non-blocked closed oven cavity is developed. Finally, the gas burner oven is compared with available results of an electric heating elements oven, showing a higher radiation exchange with the radiation source surface of cavity but lower uniformity over the load surfaces than that reached with electrical heating elements. Concluding remarks and recommendations as well as guidelines for more efficient and effective ovens design are given.<br>Introdução: Novos projetos para fornos domésticos mais eficientes requerem a capacidade de modelar a transferência de calor por radiação entre as superfícies que formam a cavidade do forno. Essas apresentam diferentes acabamentos e a sua transferência de calor líquida por radiação é afetada pela presença de superfícies que causam sombreamento das demais, como na cocção de alimentos. Objetivos: Nesse trabalho, o método de Monte Carlo é utilizado para obter os fatores de forma da radiação e a transferência de calor líquida entre as superfícies que formam a cavidade de um forno de cocção doméstico, com e sem a presença de uma forma para a cocção de alimentos. O Método de Monte Carlo proporciona a flexibilidade necessária para a modelagem de projetos de cavidades com geometrias complexas. Materiais e Métodos: Com esse objetivo, inicialmente desenvolve-se um algoritmo para o rastreamento de feixes de radiação com a finalidade de obter os fatores de forma. Os valores obtidos são comparados com as soluções algébricas disponíveis para superfícies mais simples e com fatores de forma calculados pelo método de integração numérica de superfície para as geometrias que apresentam sombreamento. Resultados: Os fatores de forma obtidos da média de 100 realizações com a emissão de 10000 feixes cada uma resultaram em diferenças menores que 0,4 % quando comparados com aqueles obtidos das relações algébricas e o método de Monte Carlo convergiu com desvio padrão menor que 0,0050 para todas as configurações testadas. O algoritmo foi também aplicado para um modelo multi-zonas para tratar geometrias com sombreamento. As simulações resultaram em diferenças menores que 0,3 % para uma realização com a emissão de 10 [na potência] 7 feixes. A transferência de calor por radiação foi então modelada usando uma função de distribuição de probabilidade para modelar a absortividade hemisférica total das superfícies. As temperaturas medidas nas superfícies de um forno a gás operando em regime permanente foram utilizadas para calcular as taxas de transferência de calor líquidas por radiação. Os resultados obtidos pelo método de Monte Carlo foram comparados com os valores calculados pelo método de resistências térmicas e foram encontradas diferenças menores que 4 % quando 60000 feixes são emitidos a partir de cada superfície. O desvio padrão da solução pelo método de Monte Carlo para 50 realizações utilizando 10 [na potência] 6 feixes em cada uma convergiu para 1 W/m² para todas as superfícies. O efeito das emissividades das superfícies foi então analisado. Finalmente, o aquecimento a gás foi comparado com o aquecimento elétrico, usando as mesmas temperaturas superficiais. Conclusões: O método de Monte Carlo resultou em diferenças menores que 0,4 % quando comparado com soluções algébricas para fatores de forma, enquanto que o cálculo de transferência de calor líquida resultou em diferenças menores que 4 % quando comparado com método de resistências térmicas. Portanto, o algoritmo desenvolvido apresenta desempenho adequado. A redução da emissividade da porta resulta em maior uniformidade no campo de radiação no interior da cavidade, além de resultar em menor perda de calor pela porta para o ambiente. Finalmente, foi encontrada maior troca de calor por radiação a partir do aquecimento a gás quando comparado com o aquecimento elétrico, porém, como menor uniformidade no campo de radiação interno à cavidade. Recomendações gerais sobre o aumento da eficiência de cavidades de fornos domésticos são elencadas ao final do trabalho.Oliveira, Amir Antônio Martins dePiña, Renzo Fabricio FigueroaUniversidade Federal de Santa CatarinaDelgado, Jair Alexander Torres2016-10-19T13:12:44Z2016-10-19T13:12:44Z2015info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis126 p.| il., grafs., tabs.application/pdf339490https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/169584engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2016-10-19T13:12:44Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/169584Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732016-10-19T13:12:44Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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