Simulação da transferência tridimensional de massa e calor empregando o método dos volumes finitos

• Autor(a) principal: Wisbiski, Eduardo Augusto Buss
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30501
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA; Calor - Transmissão; Massa - Transferência; Industria de celulose; MATLAB (Programa de computador); Simulação (Computadores); Heat - Transmission; Mass transfer; Cellulose industry; MATLAB (Computer program); Computer simulation

Atualmente, a simulação de fenômenos físicos tem grande relevância para a engenharia. Ela permite prever o comportamento de sistemas e processos, sem as limitações que a experimentação real pode proporcionar. Alguns fenômenos, como transferência de massa e calor, se beneficiam grandemente da simulação em ambiente virtual, trazendo assertividade e confiabilidade às respostas obtidas no programa. Esses fenômenos se manifestam na natureza e em inúmeras operações industriais, tais como combustão, refrigeração, secagem, cozimento, entre muitos outros. Uma aplicação simultânea dessas transferências na escala industrial é verificada durante a extração da celulose a partir da madeira. Nesse processamento há uma etapa de cozimento de pequenos paralelepípedos de madeira em solução alcalina. Após tempo suficiente nesse estágio, ocorre a dissolução dos componentes da madeira nos demais produtos químicos utilizados, formando uma pasta ou polpa semissólida. Esse produto é então, convertido em papel, amplamente versátil e empregado inclusive na produção de embalagens. A relevância desse setor para o Brasil é acentuada, visto que o país ocupa o segundo lugar no ranking mundial dos produtores de celulose, atrás apenas dos Estados Unidos. Esse fato, combinado com a ocorrência dos fenômenos de transporte citados em seu processo, justifica a relevância de pesquisas nesse tema. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho foi prever o campo de concentração de água e de temperatura em um cubo de madeira durante seu cozimento, modelando condições utilizadas na extração da celulose. Fez-se também a determinação do número ótimo de volumes para a simulação, equilibrando máxima precisão de resposta com o esforço computacional apropriado. Utilizou-se como ferramenta numérica o método dos volumes finitos, criando algoritmo de resolução implementado no software MATLAB [marca registrada], em sua versão R2021b, Update 2. Avaliou-se o perfil de temperatura e de concentração em todos os volumes e a cada instante de tempo, sendo os resultados coerentes com alcance mais rápido do equilíbrio para as regiões mais externas do corpo de madeira, e mais lento para os mais interiores. Em relação ao teste de independência de malha, foi necessário 4,0 horas de simulação para o equilíbrio do sistema com transferências em uma dimensão, sendo 24 o número ideal de volumes. Já para o sistema bidimensional, 1,7 horas de simulação foram necessárias, sendo 576 o melhor número de volumes. Por fim, para o sistema tridimensional, 1,2 horas foram requeridas, sendo 216 volumes a resposta do teste de independência de malha. Considera-se que os dados de simulação são coerentes quando comparados com valores de literatura para a experimentação laboratorial. Como pesquisas futuras, sugere-se avaliação de demais componentes químicos presentes na transferência de massa (hidróxido de sódio e sulfito de sódio), além da água (umidade), que foi objeto de estudo desse trabalho.