Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:51Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7537_1.pdf: 2403594 bytes, checksum: 10fe74996e040cc542ba4f726c854a88 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Este trabalho tem como objetivo apresentar um modelo computacional para um forno de aquecimento de tarugos. O modelo permitiu a variação das condições operacionais da chama e consequentemente o perfil de aquecimento das peças. O modelo foi elaborado utilizando o método dos volumes finitos para um sistema tridimensional, transiente e móvel. O forno objeto desse estudo tem capacidade de 60 toneladas, funciona em regime contínuo e utiliza gás natural no processo de combustão. O modelo calcula a distribuição de temperatura da carga e da chama de forma acoplada. Os resultados apresentados auxiliaram na validação e ajuste às condições reais de operação. Foram realizados vários estudos paramétricos a fim de investigar a influência das variáveis na operação do forno

Esta dissertação considera um problema inverso de transferência de calor que envolve os mecanismos de radiação térmica e convecção turbulenta. O objetivo é encontrar a potência requerida nos aquecedores, que podem estar localizados tanto na superfície superior quanto nas superfícies laterais de um forno bi-dimensional retangular, que satisfaça as condições de uniformidade de fluxo e temperatura impostas na superfície de projeto. O forno possui um ventilador que gera uma circulação turbulenta do ar, intensificando o processo de transferência de calor por convecção. Todas as propriedades termofísicas foram consideradas constantes, com exceção da massa específica do ar, a qual é expressa em função da temperatura. As superfícies do forno foram consideradas cinzas e difusas. O método da matriz das radiosidades foi usado para o cálculo das trocas radiantes de calor entre as superfícies do forno e o método dos volumes finitos foi usado para calcular as trocas de calor por convecção. O problema de transferência de calor combinando esses dois mecanismos é descrito por um sistema de equações lineares malcondicionado, o que é típico em problemas inversos; além disso, o número de equações é diferente do número de incógnitas. A solução desse sistema é obtida com o uso de métodos de regularização, sendo que o método TSVD foi o adotado nessa dissertação. Primeiramente foi estudado um problema com trocas de calor puramente radiante, onde o ventilador foi desligado e a convecção natural foi negligenciada. A seguir, o ventilador foi ligado gerando um escoamento turbulento do ar, sendo resolvidos alguns casos envolvendo trocas de calor por radiação e por convecção, onde nos casos em que o ventilador estava centrado na linha de simetria o erro máximo da solução inversa foi de aproximadamente 9%, e nos casos em que o ventilador soprava o ar em direção as paredes laterais o erro máximo da solução inversa foi inferior a 3%. Para esses casos, a convergência foi consideravelmente mais lenta se comparada àquelas de problemas com trocas de calor puramente radiante e a dificuldade em encontrar soluções aceitáveis para o problema aumentou consideravelmente. / This work considers an inverse problem combining radiative and turbulent convective heat transfer. The aim is to find the power required in the heaters, located on the top surface and/or on the side surfaces of the oven, to satisfy both the uniform heat flux and temperature imposed on the design surface. The oven has a fan to generate a turbulent air flow, intensifying the convective heat transfer. All thermophysical properties were assumed constant except the air density, which is a function of the temperature. The oven surfaces were considered diffuse and gray. The net radiative heat transfer method was used to compute the radiative heat transfer between the surfaces of the oven and the finite volume method was used to compute the convective heat transfer. The inverse heat transfer problem combining these two mechanisms is described by an ill-conditioning linear system of equations, where this kind of system is characteristic of inverse problems; furthermore, the number of equations and the number of unknowns are not necessarily the same. The solution of this system is found by regularization methods. The TSVD regularization method was used in this work. Firstly, it was studied a problem with purely radiative heat transfer, where the fan was turned off and natural convective heat transfer was neglected. Then, the fan was turned on to generate a turbulent air flow, so some cases was solved involving both the radiative and convective heat transfer. In the cases where the fan was centred in the simetry line, the maximum error of the solution was about 9%, and in the cases where the fan blowed the air in the side walls direction, the maximum error of the solution was less than 3%. For these cases, the convergence of the problem was considerably slower than the ones for purely radiative heat transfer and the control over the error of the solution was more difficult, because it was harder to find acceptable physical solutions to the problem.

Estágio realizado na Zollern & Comandita Portugal e INEGI e orientado pelo Eng.º Rui Neto / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Esta dissertação considera um problema inverso de transferência de calor que envolve os mecanismos de radiação térmica e convecção turbulenta. O objetivo é encontrar a potência requerida nos aquecedores, que podem estar localizados tanto na superfície superior quanto nas superfícies laterais de um forno bi-dimensional retangular, que satisfaça as condições de uniformidade de fluxo e temperatura impostas na superfície de projeto. O forno possui um ventilador que gera uma circulação turbulenta do ar, intensificando o processo de transferência de calor por convecção. Todas as propriedades termofísicas foram consideradas constantes, com exceção da massa específica do ar, a qual é expressa em função da temperatura. As superfícies do forno foram consideradas cinzas e difusas. O método da matriz das radiosidades foi usado para o cálculo das trocas radiantes de calor entre as superfícies do forno e o método dos volumes finitos foi usado para calcular as trocas de calor por convecção. O problema de transferência de calor combinando esses dois mecanismos é descrito por um sistema de equações lineares malcondicionado, o que é típico em problemas inversos; além disso, o número de equações é diferente do número de incógnitas. A solução desse sistema é obtida com o uso de métodos de regularização, sendo que o método TSVD foi o adotado nessa dissertação. Primeiramente foi estudado um problema com trocas de calor puramente radiante, onde o ventilador foi desligado e a convecção natural foi negligenciada. A seguir, o ventilador foi ligado gerando um escoamento turbulento do ar, sendo resolvidos alguns casos envolvendo trocas de calor por radiação e por convecção, onde nos casos em que o ventilador estava centrado na linha de simetria o erro máximo da solução inversa foi de aproximadamente 9%, e nos casos em que o ventilador soprava o ar em direção as paredes laterais o erro máximo da solução inversa foi inferior a 3%. Para esses casos, a convergência foi consideravelmente mais lenta se comparada àquelas de problemas com trocas de calor puramente radiante e a dificuldade em encontrar soluções aceitáveis para o problema aumentou consideravelmente. / This work considers an inverse problem combining radiative and turbulent convective heat transfer. The aim is to find the power required in the heaters, located on the top surface and/or on the side surfaces of the oven, to satisfy both the uniform heat flux and temperature imposed on the design surface. The oven has a fan to generate a turbulent air flow, intensifying the convective heat transfer. All thermophysical properties were assumed constant except the air density, which is a function of the temperature. The oven surfaces were considered diffuse and gray. The net radiative heat transfer method was used to compute the radiative heat transfer between the surfaces of the oven and the finite volume method was used to compute the convective heat transfer. The inverse heat transfer problem combining these two mechanisms is described by an ill-conditioning linear system of equations, where this kind of system is characteristic of inverse problems; furthermore, the number of equations and the number of unknowns are not necessarily the same. The solution of this system is found by regularization methods. The TSVD regularization method was used in this work. Firstly, it was studied a problem with purely radiative heat transfer, where the fan was turned off and natural convective heat transfer was neglected. Then, the fan was turned on to generate a turbulent air flow, so some cases was solved involving both the radiative and convective heat transfer. In the cases where the fan was centred in the simetry line, the maximum error of the solution was about 9%, and in the cases where the fan blowed the air in the side walls direction, the maximum error of the solution was less than 3%. For these cases, the convergence of the problem was considerably slower than the ones for purely radiative heat transfer and the control over the error of the solution was more difficult, because it was harder to find acceptable physical solutions to the problem.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T06:53:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 278415.pdf: 3713276 bytes, checksum: ad0f96db3658bcb8caa91c01182ddc77 (MD5) / O trabalho apresenta uma metodologia de estudo e modelagem de energia térmica em fornos de fusão de fritas cerâmicas a gás natural através da resolução numérica do problema em CFD. Fritas cerâmicas são compostos vítreos que aportam propriedades especificas aos esmaltes usados na cobertura de outras cerâmicas, principalmente do setor de revestimentos cerâmicos. O objetivo desse trabalho é gerar subsídios científicos para propostas de viabilidade economia no setor de revestimentos cerâmicos. A modelagem em CFD é realizada no software comercial Ansys CFX 11.0, baseado no método dos volumes finitos. O domínio geométrico de resolução é constituído pela cavidade interna do forno, não incluindo a chaminé. Os fenômenos físicos envolvidos abordados na modelagem numérica em CFD são a combustão de gás natural com oxigênio, o escoamento turbulento interno de gases de combustão, a perda de energia por convecção e radiação para o meio através das paredes e a radiação dentro da cavidade do forno com meio participante semitransparente. Dados coletados em forno em operação na indústria são utilizados para verificação da solução numérica.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T10:37:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A produção de revestimentos cerâmicos pelo processo monoqueima é atualmente o mais difundido entre as empresas de cerâmica. Estudos sobre a etapa de queima neste processo têm uma grande importância para a indústria cerâmica. O processo de queima deve se adaptar a novos parâmetros, devido ao crescimento tecnológico e à diversificação de produtos cerâmicos. É necessário entender os mecanismos envolvidos na queima utilizando fornos a rolos, principalmente o desempenho térmico do equipamento e características técnicas dos revestimentos cerâmicos. A simulação numérica tem sido bem utilizada para ajudar a compreensão. Neste trabalho, um modelo matemático foi aplicado para determinar a evolução do perfil de temperatura da placa cerâmica e da consequente retração, com base no transporte de calor por condução e cinética retração, negligenciando as reações químicas. Os parâmetros cinéticos foram determinados experimentalmente, utilizando pó industrial para obter corpos-de-prova de 80x20x2,3 mm3 queimados em forno elétrico laboratorial a rolo. A energia de ativação (EA) igual a 178041 J/mol, parâmetro #n# igual a 0,26285 e o fator de frequência (k0) igual a 44768 s-1 foram determinados depois de distintas condições de queima em 30, 40 e 50 minutos de frio a frio e as temperaturas entre 1000 a 1150°C (com passos de 30°C). Os valores experimentais de retração linear para os tempos de queima de 30, 40 e 50 minutos e temperatura de 1120°C são 0,0590; 0,0638 e 0,0681, respectivamente. Estes valores correspondem aproximadamente aos valores simulados de 0,0599; 0,0647 e 0,0687. O processo de queima industrial de placas cerâmicas não esmaltadas sob condições de queima de 1152°C e 30 minutos apresentou valores de retração linear de 0,0664. Os valores numéricos de retração linear ficaram em torno de 0,0663. O modelo foi capaz de reproduzir com ótima precisão os valores experimentais. Este fato permitirá estudos sobre a otimização da operação de queima. O modelo também foi aplicado para simular as consequências de uma falha de alimentação, que provoca uma alteração transitória da temperatura de queima. / The firing process is the core of the tiles production, currently the single-cycle firing is the most widespread method in ceramic industries. Therefore a deep understand of the single-cycle firing method is an essential pre-requisite to accurately describe ceramic industrial processes. Moreover, the increasing demand of technological improvements and technical diversifications of ceramic products, leads the firing process to continuously adapt to new operative conditions. The physical mechanisms that occur in roller kilns have to be understood, mainly those involving thermal performance of the equipment and technical characteristics of the ceramic tiles. To this aim numerical simulation of a single-cycle firing process has been used in order to shed light on the process. In the present work, a mathematical model has been developed to find the temperature evolution of the ceramic tiles and the consequent firing shrinkage. This mathematical model is based on heat transfer by conduction and shrinkage kinetic. The chemical reactions have been neglected. The kinetic parameters have been experimentally determined using industrial powder to obtain test pieces of 80x20x2.3 mm3 fired in laboratory electrical roller kiln. Activation energy, EA=178041 J/mol, parameter "n", n=0.26285 and frequency factor, k0=44768 s-1 were determined after several firing conditions 30, 40 and 50 minutes cold-to-cold and temperatures from 1000 to 1150°C (steps of 30°C). The experimental values of linear shrinkage for firing times 30, 40 and 50 min and temperature of 1120ºC are 0.0590, 0.0638 and 0.0681, respectively. A good agreement between the experimental values and those predicted by numerical simulations has been found. Indeed, the numerical predictions, in the same experimental conditions, are 0.0599, 0.0647 and 0.0687, respectively. Moreover, industrial process of unglazed product, under firing condition about 1152°C and 30 min, gives a linear shrinkage value about 0.0664, while the numerical simulation of the developed mathematical model predict a linear shrinkage of 0.0663. Definitely, we can assume that the developed mathematical model well reproduce the physical problem. Therefore, the model developed in the work allows further studies about the optimization of tiles firing process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2007. / Made available in DSpace on 2012-10-23T04:26:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275532.pdf: 10974698 bytes, checksum: cc355f7f7ac767c0a5f0cc1f78f5f233 (MD5) / O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um programa de simulação térmica de fornos rotativos, que seja bastante versátil e que permita avaliar o comportamento térmico deste tipo de forno com diferentes concepções e sob diferentes condições operacionais, para servir como uma ferramenta auxiliar no seu projeto e na avaliação de sua viabilidade técnica e econômica. O foco da utilização do programa de simulação desenvolvido neste trabalho é o projeto de um forno rotativo para a produção de agregado de argila calcinada, como forma de solucionar o problema da disponibilidade de materiais de qualidade para a construção civil e pavimentação em regiões distantes dos centros produtores. Assim, uma revisão da utilização de agregados de argila calcinada em obras de construção civil é apresentada e uma rota de produção deste agregado em um forno rotativo é proposta. O modelo matemático e o funcionamento geral do programa de simulação computacional de fornos rotativos desenvolvido neste trabalho são descritos, e resultados de diversas simulações realizadas são apresentados como estudos do comportamento térmico do forno rotativo da planta produtiva proposta. Finalmente, com base nos dados levantados no decorrer deste trabalho e nos resultados das simulações computacionais são sugeridas diversas recomendações de projeto para o forno rotativo para produção de agregado de argila calcinada, com vistas a um aumento da qualidade do processo de calcinação e a redução do consumo de combustível.

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:32:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_2762_DissertacaoMestradoDirceuSoaresJunior.pdf: 3781366 bytes, checksum: b26061364c7d76f2a5983fbce9d5d3b2 (MD5) Previous issue date: 2011-08-22 / Uma planta siderúrgica caracteriza-se pela existência em seu processo produtivo de cargas não lineares de elevada potência. Dentre estas cargas, as siderúrgicas do tipo mini-mill possuem normalmente Forno Elétrico a Arco (FEA) na sua fase inicial de produção do aço, que ocorre a partir da fusão de sucatas metálicas como principal matéria-prima utilizada. Os fornos elétricos absorvem uma corrente distorcida da rede elétrica, causando assim uma distorção de tensão no ponto de acoplamento comum (PAC) e inúmeros problemas de qualidade de energia elétrica. Uma solução muito utilizada para a mitigação harmônica neste tipo de carga elétrica é obtida através do uso de filtros passivos, com vários estágios de filtragem. Porém esta é uma solução que pode levar ao efeito da ressonância harmônica, elevando com isto a distorção harmônica no sistema elétrico e causando sobrecarga no sistema de filtragem. Neste trabalho é apresentado um estudo de caso em uma siderúrgica não integrada (siderúrgica que possui sucata metálica e ferro gusa como matérias-primas principais na fabricação do aço), localizada na região da Grande Vitória. Por meio de medições na subestação principal da usina, são apresentadas as principais formas de onda das correntes e tensões, em conjunto com seus espectros harmônicos, que comprovam a existência de distorções harmônicas, sobretudo provenientes da corrente do forno elétrico a arco. As medições consideradas no trabalho, para simulação dos modelos contendo os filtros híbridos, foram aquelas originadas da condição operacional mais crítica do processo, sob o ponto de vista de momento onde o comportamento da carga acarreta o maior desvio quanto à qualidade de energia nas variáveis elétricas medidas. O modelo utilizado para o sistema em questão apresenta forte grau de correlação com o sistema real, retratado através das medições elétricas efetuadas. De posse do modelo é realizada uma análise comparativa por meio de simulação entre duas topologias de filtragem híbrida, o filtro híbrido série e o filtro híbrido paralelo, para a compensação harmônica e amortecimento da ressonância. Os resultados das simulações e das análises das ressonâncias mostraram que o filtro híbrido paralelo é a topologia que permite a maior redução das distorções harmônicas de corrente e de tensão no PAC, utilizando-se um filtro ativo com a menor potência nominal. Contudo, a filtragem híbrida paralela não provê a eliminação por completo da ressonância paralela. E, quanto à ressonância série, o filtro utilizado não possui a capacidade de interferir na condição de amplificação harmônica existente no sistema elétrico. Finalmente, o estudo propõe que a definição da melhor alternativa de filtragem leve em consideração a escolha do ganho do filtro ativo e, consequentemente, a sua potência, de forma bem alinhada aos objetivos de melhoria na qualidade de energia elétrica que são esperados para o sistema em questão.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-07-16T00:45:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 225672.pdf: 2452671 bytes, checksum: 2e31cae363935785f71832fd5d09679e (MD5) / Com a introdução do gás natural na matriz energética do sul do Brasil, o setor cerâmico passou a contar com mais uma alternativa para a solução de seus problemas energéticos, particularmente a Indústria de Cerâmica Vermelha, abundante no Estado de Santa Catarina. No entanto, a tecnologia existente para a utilização deste combustível mais nobre é praticamente toda importada, não estando ao alcance do setor. Desta maneira tem-se trabalhado no desenvolvimento e na adequação desta tecnologia, mais particularmente na área de fornos e secadores, visando desenvolver novas soluções e adaptar as existentes à realidade da indústria, na tentativa de viabilizar economicamente a utilização do gás natural. Partindo desta premissa, vêm-se desenvolvendo ferramentas que permitem simular o funcionamento de fornos e secadores, de forma a auxiliar no projeto de equipamentos mais eficientes e de menor custo. Assim, o trabalho desenvolve e aplica as ferramentas de simulação no auxílio ao projeto e à construção de fornos túneis. O forno estudado é um forno túnel, destinado à queima de produtos de cerâmica vermelha, que permite a utilização simultânea de dois combustíveis, o gás natural e a serragem. Ao baixo custo desta última, será associada à facilidade de regulagem e a qualidade da queima do gás natural. Os resultados das análises térmicas desenvolvidas neste trabalho foram utilizados no projeto e na construção do forno. Estes dados, gerados pelas simulações, abrangem os perfis de temperatura das paredes, gases e carga ao longo do forno e todo o balanço energético envolvido. Com o forno atualmente em funcionamento, alguns dados experimentais foram coletados para a comparação com os resultados numéricos, de forma a auxiliar na execução de ajustes na regulagem do forno e também avaliar o desempenho do próprio programa numérico. A comparação entre os resultados da simulação e os dados experimentais apresentou boa concordância, evidenciando a coerência do modelo adotado. Com este indicativo, outros resultados importantes foram alcançados como o estudo da economia de combustível através do aquecimento do ar de combustão e também da temperatura de entrada da carga no forno. Através do programa pode-se realizar um estudo do empacotamento da carga mostrando o equilíbrio entre a eficiência da troca térmica entre os gases e a carga e a recuperação de energia no resfriamento. Upon the introduction of natural gas in the southern Brazilian energy matrix, the ceramic sector began to count with another alternative to solve its energy problems, particularly the Red Ceramics Industry (clay product industry), very common in the state of Santa Catarina. However, the existing technology for use of natural gas is mostly imported, and not in reach of the sector. In this way, an effort has been devoted to the development and adequacy of these technologies, most particularly for kilns and dryers, aiming at the development of new solutions and adaptation of existing ones to the industry reality, as an attempt to reach an economic reliable use of natural gas. Part of this effort is in the development of simulation tools for the analysis of existing working kilns and dryers, and to assist in the design of more efficient equipment at lower cost. This work consists in the development and application of simulation tools, in the aid of design and construction of tunnel kilns. The tunnel kiln analyzed is destined to the burning of red ceramic products. It allows the simultaneous use of two fuels: natural gas and sawdust. To the low cost of this last one is associated the ease of regulation and the burning quality of the natural gas. The results of the thermal analysis developed in this work were used in the design and construction of the kiln. These results include the temperature profiles in the walls, gases and load along the kiln and all the involved energy balance. With the kiln currently working, some experimental data has been collected for comparison with the numeric results. They are used to assist in the execution of regulation adjustments in the kiln and also to evaluate the performance of the numerical program.