This thesis discusses the results and insights gained from developing a CFD model of a pilot-scale pressurized dry coal-feed system using the Barracuda CFD software and modeling various design concepts and operating conditions. The feed system was required to transport approximately 0.00378 kg/s (30 lb/hr) of pulverized coal from a vertical hopper to a 2.07 MPa (20.4 atm or 300 psi) reactor with a CO2-to-coal mass flow ratio of 1-2. Two feed system concepts were developed and tested for coal mass flow, CO2-to-coal mass ratio, steadiness, and uniformity. Piping system components also were evaluated for pressure drop and coal roping.With the first system concept, Barracuda software model parameters were explored to observe their effect on gas and particle flow. A mesh sensitivity study revealed there exists too fine of a mesh for dual-phase flow with Barracuda due to the particle initialization process. A relatively coarse mesh was found to be acceptable since the results did not change with increasing mesh refinement. Barracuda sub-model parameters that control particle interaction were investigated. Other than the close pack volume fraction, coal flow results were insensitive to changes in these parameters. Default Barracuda parameters were used for design simulations.The gravity-fed system (first concept) relied on gravity to transfer coal from a hopper into the CO2 carrier gas. This design was unable to deliver the required coal mass flow rate due to the cohesion and packing of the particles being greater than the gravity forces acting on the particles. The fluidized bed (second concept) relied on CO2 flow injected at the bottom of the hopper to fluidize the particles and transport them through a horizontal exit pipe. Additional CO2 was added post-hopper to dilute the flow and increase the velocity to minimize particle layout. This concept was shown to decouple the fluidized particle flow and dilution CO2 flow, providing significant design and operating flexibility. A non-uniform mesh was implemented to maintain a high mesh refinement in the 0.635-cm (¼-in) diameter transport pipe with less refinement in the hopper/bed region. The two main hopper diameters evaluated measured 5.08-cm (2-in) and 15.24-cm (6-in). Successful designs were achieved for each with appropriate coal mass flow rates and CO2-to-coal ratios. The particle flow was sufficiently steady for use with a coal burner.A piping system study was performed to test pneumatic transport and the effects of pipe length and bend radius. For a 1-to-1 gas-to-particle mass flow, particle layout occurred after 30 cm of travel. Particle roping occurred to various extents depending on the pipe bend radius. Bend radii of 0.318, 60.96, and 182.88 centimeters were simulated. Roping increased with bend radius and high pressure. Greater gas flow rates increased particle flow steadiness and uniformity. A simple methodology was identified to estimate the pressure drop for different piping system configurations based on the piping components simulated.

Sistemas pneumáticos de irradiação são instalações utilizadas em reatores nucleares de pesquisa. Sua função principal é de prover um meio rápido de envio de materiais para irradiação em posições localizadas nas proximidades do núcleo do reator. Durante sua utilização, cápsulas contendo os materiais de estudo são enviadas por meio de tubulações utilizando um fluido propulsor gasoso. Ao chegar à posição desejada, a cápsula sofre a exposição à radiação proveniente do reator possibilitando as transformações do material alocado em seu interior, porém como consequência da exposição também ocorre seu aquecimento térmico. Este trabalho estudou de forma numérica, utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) e experimental, por meio de uma bancada de ensaios, o escoamento e transferência de calor durante o processo de irradiação. Os resultados encontrados demonstraram um aquecimento significativo para tempos de irradiação na ordem de 1 minuto considerando uma taxa de geração de calor constante, provocando a elevação da temperatura da cápsula a valores críticos para materiais de fabricação das cápsulas comumente utilizados como o polietileno de alta densidade (PEAD). Além disso, foram levantados os campos de velocidade, pressão e temperatura para o fluido propulsor e água de resfriamento no interior do tubo de irradiação que abriga a cápsula durante sua irradiação e avaliadas as respostas para diferentes modelos de turbulência nas simulações numéricas. Em função dos resultados obtidos concluiu-se que o estudo desenvolvido possibilitou exemplificar o processo de aquecimento das cápsulas e fornecer informações sobre as características do escoamento no interior do tubo de irradiação que abriga as cápsulas durante o processo de exposição. A utilização de diferentes modelos de turbulência nas simulações gerou resultados similares para o caso de estudo, porém pequenas variações em regiões de escoamento próximo à parede e em zonas de recirculação foram encontradas. / Pneumatic irradiation system facilities are used in nuclear research reactors. Its main function is to provide a fast means of sending materials to irradiation positions located near the reactor core. Capsules containing the sample materials are sent through pipes using a gaseous fluid propellant. Upon reaching the desired position, the capsule undergoes exposure to radiation from the reactor enabling the transformation of the material allocated inside, but as a consequence of exposure, its thermal heating also occurs. This study investigated numerically, using computational fluid dynamics (CFD), and experimentally the flow and heat transfer during the irradiation process. The results showed a significant heating for irradiation times on the order of 1 minute, considering a constant heat generation rate, thus causing increase in the capsule temperature up to critical values, for the materials that are commonly used for their manufacture. In particular, this is the case of the high density polyethylene (HDPE). Furthermore, the velocity, pressure and temperature fields were obtained for the propellant fluid and cooling water inside the irradiation tube house during its irradiation and the response of different turbulence modeling in the numerical simulations were analyzed. Based on the results obtained, it was possible to conclude that the developed study exemplified the heating process of the capsules and provided information about the characteristics of the flow inside the irradiation tube that houses the capsules during the exposure process. The use of different turbulence models in the simulations generated similar results for the study, however small variations in regions of flow near to the wall and inside recirculation zones were found.

Sistemas pneumáticos de irradiação são instalações utilizadas em reatores nucleares de pesquisa. Sua função principal é de prover um meio rápido de envio de materiais para irradiação em posições localizadas nas proximidades do núcleo do reator. Durante sua utilização, cápsulas contendo os materiais de estudo são enviadas por meio de tubulações utilizando um fluido propulsor gasoso. Ao chegar à posição desejada, a cápsula sofre a exposição à radiação proveniente do reator possibilitando as transformações do material alocado em seu interior, porém como consequência da exposição também ocorre seu aquecimento térmico. Este trabalho estudou de forma numérica, utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) e experimental, por meio de uma bancada de ensaios, o escoamento e transferência de calor durante o processo de irradiação. Os resultados encontrados demonstraram um aquecimento significativo para tempos de irradiação na ordem de 1 minuto considerando uma taxa de geração de calor constante, provocando a elevação da temperatura da cápsula a valores críticos para materiais de fabricação das cápsulas comumente utilizados como o polietileno de alta densidade (PEAD). Além disso, foram levantados os campos de velocidade, pressão e temperatura para o fluido propulsor e água de resfriamento no interior do tubo de irradiação que abriga a cápsula durante sua irradiação e avaliadas as respostas para diferentes modelos de turbulência nas simulações numéricas. Em função dos resultados obtidos concluiu-se que o estudo desenvolvido possibilitou exemplificar o processo de aquecimento das cápsulas e fornecer informações sobre as características do escoamento no interior do tubo de irradiação que abriga as cápsulas durante o processo de exposição. A utilização de diferentes modelos de turbulência nas simulações gerou resultados similares para o caso de estudo, porém pequenas variações em regiões de escoamento próximo à parede e em zonas de recirculação foram encontradas. / Pneumatic irradiation system facilities are used in nuclear research reactors. Its main function is to provide a fast means of sending materials to irradiation positions located near the reactor core. Capsules containing the sample materials are sent through pipes using a gaseous fluid propellant. Upon reaching the desired position, the capsule undergoes exposure to radiation from the reactor enabling the transformation of the material allocated inside, but as a consequence of exposure, its thermal heating also occurs. This study investigated numerically, using computational fluid dynamics (CFD), and experimentally the flow and heat transfer during the irradiation process. The results showed a significant heating for irradiation times on the order of 1 minute, considering a constant heat generation rate, thus causing increase in the capsule temperature up to critical values, for the materials that are commonly used for their manufacture. In particular, this is the case of the high density polyethylene (HDPE). Furthermore, the velocity, pressure and temperature fields were obtained for the propellant fluid and cooling water inside the irradiation tube house during its irradiation and the response of different turbulence modeling in the numerical simulations were analyzed. Based on the results obtained, it was possible to conclude that the developed study exemplified the heating process of the capsules and provided information about the characteristics of the flow inside the irradiation tube that houses the capsules during the exposure process. The use of different turbulence models in the simulations generated similar results for the study, however small variations in regions of flow near to the wall and inside recirculation zones were found.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:33:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:33:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Sistemas Pneumáticos de Transferência - \"Pneumatic Transfer Systems\" (PTS) são equipamentos mecânicos amplamente e mundialmente utilizados para o transporte, movimentação e transferência de diversos tipos de materiais, objetos e cargas entre dois ou mais terminais localizados em locais próximos ou distantes um do outro. Devido à sua versatilidade e rapidez, a aplicabilidade do sistema se faz presente em diversas áreas da sociedade tais como medicina (hospitais e laboratórios de análises clínicas); indústria (civil, automobilística, siderúrgica, metalúrgica, mineração, química, de alimentos); comércio (postos de gasolina, cinemas, supermercados, bancos, pedágios, empresas de venda de produtos por internet, cassinos); serviços públicos (repartições públicas, cortes de justiça, correios e telégrafos). Na área nuclear o PTS também tem uma vasta aplicabilidade nas diversas instalações nucleares, destacando-se a sua utilização como parte do processo de produção de radioisótopos e radiofármacos de meia vida curta tais como 67Ga, 201Tl, 18F e 123I-ultra puro, instalações de eliminação e estocagem de resíduos radioativos e áreas de pesquisa que utilizam o método analítico de Análise por Ativação Neutrônica (AAN). O desenvolvimento deste trabalho foi direcionado para o projeto, construção, instalação e implementação de um novo Sistema de Transferência Pneumático para transporte e transferência de materiais que são irradiados no núcleo do reator IEA-R1, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), para aplicação da técnica de AAN. Para sua instalação foi calculado a carga sobre a placa matriz do núcleo do reator e os testes de envio e retorno da amostra em análise. O fluxo neutrônico na posição de irradiação foi determinado utilizando a técnica de folhas de Au (ativação) apresentando um valor de 3,70±0,26.1012 n cm-2 s-1. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Orientadores: Elias Basile Tambourgi, Deovaldo de Moraes Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-13T07:21:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_SabrinaMartinsdos_D.pdf: 5632189 bytes, checksum: b491a31845748c55430f5bc2b10ef77e (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O transporte pneumático que envolve o uso do ar para deslocar materiais particulados através de tubulações é uma importante operação em diversos processos industriais e químicos. Exemplos típicos são sistemas de conversão de energia de carvão, craqueamento catalítico, secagem e transporte de sólidos finos e granulares. O transporte pneumático convencional é frequentemente operado em fase diluída na qual as partículas permanecem suspensas numa região de alta velocidade de ar. É de uso difundido em função de baixo custo de aquisição, operação e manutenção em relação aos transportadores de correia, canecas e helicoidal. Um dos maiores inconvenientes é o desgaste da parte inferior da tubulação. A velocidade superficial do gás, o diâmetro da partícula e da tubulação, o tipo e a forma da partícula influenciam o transporte pneumático. Como conseqüência desta complexidade, estes sistemas são baseados em correlações empíricas obtidas por meio de estudos experimentais para cada sólido, em geral em dutos de diâmetro reduzido sem dados da distribuição de partículas na seção transversal das unidades. Este trabalho teve como objetivo projetar econstruir uma unidade piloto de transporte pneumático em fase diluída e obter uma curva característica de perda de carga em função da velocidade do ar, da vazão de sólidos e da distribuição dos polímeros polietileno, polipropileno e poliestireno. O sistema foi constituído basicamente de um ventilador centrífugo de pás semi-abertas com diâmetro de 210 mm, acoplado a um motor em balanço de 1 hp com rotação variável. Os sólidos foram alimentados de um silo ao transportador por meio de uma válvula rotativa. A mistura ar-partícula foi transportada através de tubos horizontais de acrílico e aço com diâmetro interno de 117 mm e comprimento total de 4020 mm e descarregada em um módulo de coleta de 9 tubos de alumínio de seção quadrada onde foram acoplados a telas filtrantes de náilon para retenção dos sólidos no final do transportador. O sistema permitiu construir curvas que relacionam a vazão do sólido, perda de carga por metro de tubo e, de forma não convencional, a relação destes parâmetros com a distribuição das partículas na seção transversal de duto de dimensões industriais. O trabalho demonstrou que nas condições que comumente se projetam as unidades industriais de transporte pneumático, em fase diluída, em geral mais de 70% dos sólidos estão no terço inferior da tubulação, gerando desgastes nestas regiões, com paradas e lucros cessantes para manutenção. / Abstract: The pneumatic transport that involves the use of air particles to move materials through pipes is a major operation in various industries and chemical processes. Typical examples are systems for the conversion of energy from coal, catalytic cracking, drying and transport of solid and fine granular. The conventional pneumatic transport is often operated in dilute phase where the particles remain suspended in a region of high speed air. It is the widespread use due to low cost of acquisition, operation and maintenance on belt conveyors, mugs and helicoidal. One of the biggest problems is the erosion of the bottom of the pipe. The superficial velocity of the gas, the diameter of the particle and the pipe, the type and shape of particles affect the pneumatic transport. As a result of this complexity, these systems are based on empirical correlations obtained from experimental studies for each solid, generally in small diameter pipelines without data distribution of particles in the cross section of the units. This study aimed to design, build a pilot plant for pneumatic conveying in dilute phase and get a curve of pressure drop on the basis of speed and air flow rate and distribution of solid polymer polyethylene, polypropylene and polystyrene. The system consisted basically of centrifugal fan semi-open blades with diameter of 210 mm, coupled to a balanced-blower motor, 1 hp with variable rotation. The solids were fed from a silo to the carrier through a rotary valve. The air-particle mixture was transported through horizontal tubes of acrylic and steel with internal diameter of 117 mm and a total length of approximately 4,020 mm and unloaded in a collector module nine square-section aluminum pipes where they were coupled nylon mesh filter for retention of solids at the end of the carrier. The system helped build figures relate to the flow of solid, pressure drop per meter of pipe, and unconventional way, the relationship of these parameters with the distribution of particles in the cross section of industrial-sized product. The work showed that under the conditions that commonly are projected industrial units to pneumatic transport dilute phase in general, more than 70% of the solids are in the lower third of the pipe causing damage in these regions with stops and profit for maintenance. / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

A pneumatic particulate collection system harnesses the energy associated with the release of a compressed gas to transport particulate to a collection chamber. In an effort to improve the efficiency of a previously designed collection system, high speed imaging in conjunction with computational fluid dynamics (CFD) was utilized to highlight design deficiencies. Areas of recirculation within the collection device as well as impingement of the sampling surface were observed through the testing and CFD analysis. The basis of the improved collection system was conceived through research of pneumatic transport and the deficiencies found through testing and simulation. An improved rectangular-duct-styled system was designed in three main stages. A variety of filters used to contain the desired particulate were characterized through testing for use in simulations as well as fluids calculations. The improved system was then analyzed utilizing compressible and incompressible flow calculations and design iterations were conducted with CFD to determine the final parameters. The final design was simulated with a multiphase flow model to examine the particulate entrainment performance. The improved collection system efficiently expanded and developed the gas flow prior to the collection area to employ the particulate entrainment process. The final design was constructed with an additive manufacturing process and experimentally tested to validate the simulations and flow calculations. The testing proved that the final design operated purely on particulate entrainment and collected only the top layer of particles as simulated. The improved collection system eliminated all areas of flow recirculation and impingement of the particle bed to provide a more efficient sampling device. / Master of Science

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LuzianyACF_DISSERT.pdf: 949661 bytes, checksum: 3ac9543ca6f7961fb8c420391d30326b (MD5) Previous issue date: 2011-07-08 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In this work, a pneumatic dryer has been designed and assembled in laboratory scale in order to study and evaluate configurations more efficient for application in drying of important materials of Northeast region in Brazil. The equipment was tested with drying of corn and rice grains, in conditions of temperature and air velocity at 80 oC and 35 m/s, respectively. For this type of dryer, it is recommended to work at temperatures above 200 ?C and air velocity with higher dynamic pressure. However, even under operating conditions below what it is recommended, the results obtained with the pneumatic dryer were satisfactory. In addition, experiments of drying were performed by using a cabinet dryer (batch dryer) under the same conditions used in the pneumatic dryer. Flash one curves for the corn were fitted satisfactorily by applying of the Lewis model, while a better agreement was found for rice by using the Page model. The data obtained with both drying processes allowed to compare the performance between pneumatic and batch dryers. In respect to drying rate, the pneumatic dryer presented a similar performance to the batch dryer during processing with corn and a superior performance to the last one during processing with rice. Therefore, it was possible to verify that the pneumatic dryer assembled in this preliminar study can be applied for different materials and under different operating conditions / Este trabalho tem como objetivo principal ? concep??o, montagem e opera??o de um secador pneum?tico do tipo flash com o prop?sito de avaliar novas configura??es de secadores, apresentando uma import?ncia regional no contexto da produ??o agr?cola de gr?os. O equipamento operou com temperaturas na ordem de 80?C e velocidade do ar de secagem igual a 35 m/s. Para este tipo de secador recomenda-se temperaturas superiores a 200?C e velocidades com alta press?o din?mica. O equipamento operou com um bom desempenho na secagem do milho e arroz. Para efeito comparativo, tamb?m foi utilizado um secador de bandejas para secagem do milho e do arroz com casca em condi??es operacionais similares as praticadas com secador pneum?tico do tipo flash. Os resultados experimentais demonstraram que na secagem do milho ambos secadores responderam com desempenho an?logo no que ser refere ? taxa de secagem. J? na secagem do arroz com casca, o secador pneum?tico apresentou um desempenho superior ao secador de bandejas. Portanto, a partir dos dados experimentais as curvas para a secagem do milho foram melhor correlacionadas com o modelo de Lewis, enquanto que as curvas de secagem do arroz com casca foram melhor ajustadas com o modelo de Page. Assim, pode-se concluir que a configura??o montada apresenta aspectos promissores que podem ser estudados utilizando-se materiais com diferentes caracter?sticas e em diferentescondi??es operacionais