Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações da Mecãnica dos Fluidos. 2005. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Submitted by Nathalya Silva (nathyjf033@gmail.com) on 2017-04-24T19:52:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ContribuicaoAnaliseTransporte.pdf: 3193173 bytes, checksum: 43b157725836bcc00dc7e00810662b2b (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-04-25T22:15:48Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ContribuicaoAnaliseTransporte.pdf: 3193173 bytes, checksum: 43b157725836bcc00dc7e00810662b2b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T22:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ContribuicaoAnaliseTransporte.pdf: 3193173 bytes, checksum: 43b157725836bcc00dc7e00810662b2b (MD5) Previous issue date: 2011-10 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Este trabalho é uma contribuição à análise do transporte pneumático em fase diluída. Trata do estudo dos parâmetros chave relacionado ao transporte de partículas sólidas por uma corrente gasosa em tubulações horizontais e verticais. Esses parâmetros são as velocidades críticas de transporte e a queda de pressão na tubulação. Assim, é feita a análise das principais correlações existentes na literatura voltadas para a previsão de tais velocidades críticas e, então, propostas para uso as mais confiáveis. Neste sentido, também foi desenvolvida uma equação para a previsão da velocidade de captura de partículas no fundo de uma tubulação horizontal. Em seguida foi analisado o comportamento da queda de pressão em função das propriedades das partículas sólidas e do sistema com o uso de dois softwares, sendo que um deles não considera em sua formulação a influência da zona de aceleração na queda de pressão. Assim, foi possível entender qual a contribuição do comprimento de aceleração na queda de pressão total e qual a faixa de aplicabilidade de cada um desses softwares. Foi feita ainda a análise da sensibilidade da porosidade inicial na queda de pressão na tubulação em função de parâmetros tais como a vazão mássica dos sólidos, o comprimento da tubulação, a massa específica das partículas sólidas e o diâmetro da tubulação. / This thesis is a contribution to the dilute-phase pneumatic conveying analysis. The survey of the key parameters of a pneumatic transport of bulk solids which are: the minimum conveying air velocity and pressure drop in horizontal and vertical pipelines. Therefore, an analysis of the main correlations available in the literature is made focused on the prediction of such critical velocities, and so proposes the use the most reliable correlations. In this way, an equation to predict the pickup velocity of the particles at the bottom of a horizontal pipeline was also developed. Then was analyzed the behavior of the pressure drop due to the solids and system properties using two computer programs, one of them does not consider the pressure drop in the acceleration zone in its formulation (algorithm). So, it is possible to understand what is the contribution of the acceleration zone in the total pressure drop of system and which is the range of application of each program. It is also done through mathematical modeling, the sensitivity analysis of the initial porosity of the bulk solids in the pressure drop along the pipeline as a function of parameters such as: solids mass flowrate, pipeline length, particles density and pipeline diameter.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica (Área de Especialização de Engenharia Térmica), sob a orientação do Professor Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho

O transporte pneumático de partículas sólidas tem sido frequentemente utilizado em diversas indústrias. Na última década, houve um aumento da demanda a favor da utilização otimizada dessa tecnologia, o que requer bom entendimento da dinâmica do escoamento da mistura gás-sólido em tubos e capacidade para predizer tal comportamento. A maioria dos modelos matemáticos que descrevem os fenômenos que ocorrem no transporte pneumático vertical são unidimensionais em regime permanente. No entanto, evidências experimentais sugerem que a suposição de não variação radial das variáveis básicas podem não ser verdadeiras. No presente trabalho realizaram-se as modelagem e simulação do transporte pneumático vertical considerando os perfis axiais e radiais das variáveis de escoamento. Procedeu-se à comparação entre os resultados obtidos com a simulação utilizando os modelos unidimensional e bidimensional. Considerando ainda as transferências convectivas de calor e de massa, foram efetuados os balanços de energia e de massa, estendendo-se o modelo para um secador pneumático vertical. Foram obtidas as variações axiais e radiais, das temperaturas e umidades do gás e das partículas. Efetuou-se também uma análise paramétrica da simulação, no que concerne à secagem pneumática vertical, não só com relação às variáveis de processo, como também às variáveis geométricas envolvidas. A análise paramétrica foi realizada utilizando planejamento fatorial e foram obtidas as influências das variáveis estudadas na umidade da partícula a 2,Omda entrada do secador. _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT: Pneumatic conveying of solid partic1es has been frequently used in chemical industries. The increase in the use in this unit operation requires the knowledge of the dynamic of the gas-solid flow in tubes. The mathematical models of vertical pneumatic conveying found in the literature mostly consider the flow stcady and one dimensional. However, experimental evidence suggest that radial profiles of the basic variables of the flow exists. In this work a model is proposed for vertical pneumatic conveying considering axial and radial profiles for gas and solid velocities, porosity and pressure. The results obtained from this two-dimensional model were compared with the ones from the one dimensional model. The conservation equation for energy and mass of water were written to extend the model to a pneumatic dryer. The results show the axial and radial variations of gas and solid temperatures, gas humidity and particle moisture content along the dryer. A parametric analysis of the simulation was realized involving process and geometric variables using fatorial planning. The results of the parametric analysis show the influence of each variable in the moisture content of the particles at 2,Omat the entrance of the dryer.

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.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-07T14:42:27Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseExperimentalVelocidade.pdf: 1919066 bytes, checksum: 0d5dd1e1237b2c18e98eb98a366fe46e (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-15T23:46:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseExperimentalVelocidade.pdf: 1919066 bytes, checksum: 0d5dd1e1237b2c18e98eb98a366fe46e (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-15T23:46:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseExperimentalVelocidade.pdf: 1919066 bytes, checksum: 0d5dd1e1237b2c18e98eb98a366fe46e (MD5) Previous issue date: 2006 / A velocidade de transporte é um dos mais importantes parâmetros no transporte pneumático de sólidos. O êxito no transporte de materiais particulados depende da predição ou da determinação da velocidade mínima de transporte. Uma velocidade acima daquela necessária ao transporte estável das partículas sólidas conduz a um grande consumo de energia devido ao aumento na perda de pressão do sistema, degradação dos sólidos e abrasão dos sólidos e da tubulação. Já uma velocidade abaixo desse valor limite certamente resultará na deposição das partículas sólidas para o fundo da tubulação e conseqüentemente o entupimento desta. Neste trabalho, uma técnica para medir a velocidade mínima de captura de partículas sólidas em uma tubulação na direção horizontal em um sistema de Transporte Pneumático é desenvolvida. Ela baseia-se em observações visuais do comportamento das partículas ao ocorrer a captura, em medidas da velocidade de operação do gás e da massa das partículas capturadas. É realizada ainda a análise qualitativa de alguns parâmetros que influenciam na velocidade de captura das partículas, permitindo uma maior compreensão dos fenômenos envolvidos. / The transport velocity is one of the most important parameters in the pneumatic transport of solids. The success of the particulates materials conveying depends on the prediction or the determination of the minimum velocity of transport. The velocity above of that necessary to the steady transport of solid particles leads to a great energy consumption due to an increased pressure drop of the system, solids degradation and abrasion of solids and of the tube. On the other hand, a velocity below of this boundary-value certainly will result on the deposition of solid particles for bottom of the tube and its consequently blockage. In this work, a technique to measure the minimum pickup velocity of solid particles in horizontal pneumatic conveying has been developed. It is based on visual observation of the particles behavior when occurring the capture, on measures of the velocity of operation of the gas and the mass of captured particles. The qualitative analysis of some parameters is made still that influence in the pickup velocity of particles, allowing a bigger understanding of the involved phenomena.

Orientador: Prof. Dr. Douglas Alves Cassiano / Em meados da década de 1920 tornou-se comum o emprego de sistemas pneumáticos destinados à movimentação de materiais particulados sólidos. As principais limitações para estas aplicações estão relacionadas a aspectos financeiros, em especial ao elevado consumo energético destes sistemas em comparação a outras tecnologias existentes, porém, a partir dos ganhos relacionados à eficiência energética, é fortemente recomendável considerar o seu emprego como primeira opção, mesmo em aplicações tradicionalmente mecânicas. Levantamento realizado junto à base de dados Elsevier-Scopus em 2017 aplicando-se os termos Pneumatic Conveying + Design of Experiments + Energy Efficiency, objetos deste trabalho, revelou a existência de apenas dois trabalhos publicados no ano de 2012. Assim o trabalho ora apresentado foi motivado pela necessidade de otimização da eficiência energética nestes sistemas e pela oportunidade de avanço da fronteira do conhecimento acerca do assunto evidenciadas pela pesquisa bibliográfica realizada. Fundamentado em técnicas estatísticas de planejamento fatorial e metodologia de superfície de resposta, o trabalho ora apresentado objetivou o estudo da eficiência energética de um sistema alternativo de transporte pneumático, que envolve os conceitos do transporte pneumático em fase densa e em fase diluída. Definido o material empregado no estudo (Alumina), realizaram-se ensaios de caracterização para investigação do seu potencial de fluidização, construiu-se um protótipo do ejetor pressurizado, definiram-se os planejamentos experimentais de dois níveis e composto central, realizaram-se 71 testes para obtenção de dados experimentais e obtiveram-se os modelos matemáticos linear e não linear que aplicados e interpretados, resultaram na superfície de resposta. Concluiu-se que o sistema proposto é capaz de realizar transporte pneumático nas condições do estudo. Observou-se que a eficiência energética do sistema pode ser adequadamente investigada e estudada a partir da metodologia adotada. Obtiveram-se o modelo matemático e a superfície de resposta que, validados, possibilitaram a inferência da eficiência energética do sistema em função da pressão de transporte e do tempo de dosagem de material, bem como a identificação do ponto ótimo de operação respeitadas as condições de contorno do estudo. / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / In the mid-1920s it became common to use pneumatic systems for the movement of solid particulates. The main limitations for these applications are related to financial aspects, in particular the high energy consumption of these systems compared to other existing technologies, but, from the gains related to energy efficiency, it is strongly recommended to consider their use as the first option, even in traditionally mechanical applications. A survey carried out with the Elsevier-Scopus database in 2017 applying the terms Pneumatic Conveying + Design of Experiments + Energy Efficiency, objects of this work, revealed the existence of only two works published in the year 2012. Thus, the work presented here was motivated by the need to optimize energy efficiency in these systems and the opportunity to advance the frontier of knowledge about the subject evidenced by the bibliographical research. Based on statistical techniques of factorial planning and response surface methodology, the present study aimed to study the energy efficiency of an alternative pneumatic transport system, which involves the concepts of pneumatic transport in dense phase and in diluted phase. After the determination of the material used in the study (Alumina), characterization tests were carried out to investigate its fluidization potential, a prototype of the pressurized ejector was built, the experimental design of two levels and the central compound were defined, 71 tests to obtain experimental data and obtained the linear and non-linear mathematical models that applied and interpreted, resulted in the response surface. It was concluded that the proposed system is capable of performing pneumatic transport under the conditions of the study. It was observed that the energy efficiency of the system can be adequately investigated and studied from the methodology adopted. The mathematical model and the response surface were obtained, which validated the inference of the energy efficiency of the system as a function of the transport pressure and the material dosing time, as well as the identification of the optimum operating point, respecting the operating conditions.

O transporte pneumático de sólidos constitui uma aplicação comum em processos industriais petroquímicos, de mineração, de alimentos e agrícola. Entretanto, devido a limitações de ordem prática, a maioria das aplicações existente envolve o transporte de 1 a 400 toneladas por hora, através de distâncias de até 1000 m. Entre estas limitações, o consumo de potência provavelmente é a mais severa. Um sistema de transporte seguro e que apresente uma redução no consumo de potência pode ser implementado com técnicas não convencionais de controle. Este trabalho descreve a implementação de um controlador difuso em um circuito experimental de 45 mm de diâmetro interno utilizado para transportar sementes de Setaria Itálica ao longo de 21 metros. Informações obtidas com um estudo prévio de identificação de regimes gás - sólido através de redes neurais auto-organizáveis foram utilizadas no projeto do controlador. Os resultados mostraram uma redução significativa de 41%, em média, no consumo de potência requerida para o transporte de uma mesma carga de sólido. / The pneumatic conveying of solids in a gas stream is a recurrent process in petrochemical industries as well as in agricultural, food and mining. However, due to practical limitations the majority of existing systems have capacities ranging from 1 to 400 tones per hour over distances less than 1000 m, mainly because of a high power consumption per transported unit mass. A safe circuit with reduced power consumption can be designed using non-conventional control techniques. This work describes a fuzzy controller implementation for a 45 mm i.d. pneumatic conveying system used to transport Setaria Italica seeds over a distance of 21 m. Data obtained in a previous study about gas-solid flow regime identification through a self-organizing neural network were used in the controller design. The results show that reduction in power consumption can reach 41% when compared with classical non controller transport.