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Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021. O advento dos satélites padronizados tipo CubeSat tem possibilitado que um crescente número de universidades e empresas ao redor do mundo adentrem em projetos no segmento espacial. Entre os diversos sub-sistemas que compõem um CubeSat existe o controle térmico, responsável por manter todos os outros sub-sistemas dentro de limites aceitáveis de temperatura. Um método amplamente empregado na avaliação desse sistema é a simulação numérica, tema central desta tese. Para compor a simulação da transferência de calor, dois modelos foram desenvolvidos: irradiância e térmico. Neste trabalho, a irradiância considera que as fontes de calor, dadas pela radiação solar, albedo e emissão da terra no infra-vermelho, dependem da dinâmica orbital, além da orientação e apontamento do satélite (atitude), o que permite avaliar os diversos cenários térmicos a serem enfrentados pelo satélite ao longo do seu ciclo de operação em órbita. O modelo térmico baseia-se no Método dos Volumes Finitos (Finite Volume Method - FVM) e utiliza a irradiância como condição de contorno nas superfícies externas do domínio. Para realizar o balanço de energia nas superfícies internas utiliza-se o método de Gebhart, assim como um modelo para determinação de superfícies obstrutoras acoplado ao cálculo dos fatores de forma entre as faces. Entre os casos simulados está a avaliação do impacto da transferência interna de calor por radiação, que em alguns exemplos disponíveis na literatura é desconsiderada. Três casos de troca interna são verificados por meio da emissividade (e) das superfícies, e incluem o caso em que a emissividade é máxima de superfície negra (e = 1.0), o caso sem radiação (e = 0.0) e um caso intermediário (e = 0.5). Os resultados, válidos para uma geometria de CubeSat 1U (10x10x10 cm), indicam que as perturbações orbitais são essenciais para a simulação da posição do satélite e, consequentemente, o campo de radiação atuando sobre ele. Em termos de temperatura, a inclusão da transferência de calor interna modifica o campo de temperatura e deve ser considerada nas simulações. Um comparativo entre os resultados obtidos por meio do FVM e uma formulação mais simples obtida pelo método dos nós (Lumped Paramether Method - LPM) é realizada, onde verifica-se que os níveis de temperatura entre eles pode ser compatível ao se controlar a resistência térmica do LPM, ainda que este último não forneça campos tridimensionais. Ao final da tese, duas outras aplicações são demonstradas com o uso dos modelos de irradiância e térmico propostos, o que inclui a integração de tubos de calor e gerador termoelétricos em missões CubeSat. Abstract: The advent of standardized CubeSat satellites has enabled an increasing number of universities and companies worldwide to enter projects in the space segment. Among the various sub-systems that make up a CubeSat, thermal control is responsible for keeping all other sub-systems within acceptable temperature limits. A method widely used in evaluating this system is a numerical simulation, the central theme of this thesis. To compose the heat transfer?s simulation, two models were developed: irradiance and thermal. In this work, irradiance considers that the heat sources, given by solar radiation, albedo, and infrared Earth emission, dependent on the orbital dynamics, in addition to the orientation and pointing of the satellite (attitude), which allows evaluating the different scenarios thermal elements to be faced by the satellite throughout its orbit operating cycle. The thermal model is based on the Finite Volume Method (FVM) and uses irradiance as a boundary condition on the domain?s external surfaces. To perform the energy balance on the internal surfaces, the Gebhart method is used, and a model for determining obstructive surfaces coupled with the calculation of the view factors between the faces. Among the simulated cases is the evaluation of the impact of the internal heat transfer by radiation, which in some examples available in the literature is disregarded. Three cases of internal exchange are verified by means of the emissivity (e) of the surfaces, and include the case in which the emissivity is the maximum black-body surface (e = 1.0), the case without radiation (e = 0.0) and an intermediate case (e = 0.5). The results, valid for a geometry of CubeSat 1U (10x10x10 cm), indicate that the orbital disturbances are essential for the simulation of the satellite?s position and, consequently, the radiation field acting on it. In terms of temperature, the inclusion of internal heat transfer changes the temperature field and must be considered in the simulations. A comparison between the results obtained using the FVM and a simpler formulation obtained by the method of nodes (Lumped Parameter Method - LPM) is carried out, where it is verified that the temperature levels between them can be compatible when controlling the thermal resistance of the LPM, even though the latter does not provide three-dimensional fields. At the end of the thesis, two other applications are demonstrated using the proposed irradiance and thermal models, including the integration of heat pipes and thermoelectric generators in CubeSat missions.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Materiais metálicos e cerâmicos possuem altas temperaturas de fusão, resultando em grande consumo energético nos respectivos fornos de fusão. O processo de fusão ocorre de forma contínua com temperaturas superiores a 1400 °C. O fluxo de energia carregado pelos gases de exaustão nos fornos analisados neste trabalho variou de 50 % a 60 % da energia inserida com a queima do gás natural, apresentando ainda um grande potencial energético. Portanto, o objetivo principal é estudar a viabilidade energética e exergética para a geração de potência elétrica ou capacidade frigorífica utilizando a energia disponível nos gases de exaustão. Para isso desenvolveram-se modelos matemáticos no software Engineering Equation Solver (EES) para resolver os balanços energético e exergético em dois fornos de produção de fritas cerâmicas e em um de produção de silicato de sódio; além do acoplamento de um ciclo Rankine e do emprego de Chillers de absorção. Os primeiros usam oxigênio e o segundo usa ar como comburente. Foram utilizados dados experimentais obtidos em trabalhos anteriores efetuados em campo, levando em consideração novas hipóteses. Com a análise do ciclo Rankine conectado aos fornos pode-se gerar vapor superaquecido com 20 bar e 450 °C e assim gerar potência elétrica entre 78 e 152 kW. Foi averiguado a diluição dos gases de exaustão com ar ambiente, prática comum nessas indústrias, para identificar o impacto que teria na geração de energia elétrica. Para uma diluição de até 30 % de ar presente na mistura houve uma redução de 26,1 % nas eficiências e nas taxas de transferência de calor do ciclo. Adotando-se modelos de Chillers de absorção existentes no mercado foram modelados cenários com Chillers operando com a passagem direta dos gases de exaustão e com vapor saturado produzido em uma caldeira de recuperação para alimentar o gerador do Chiller de absorção com vapor saturado. Foram produzidos de 12,5 a 20,1 TR de capacidade frigorífica para a atividade com o primeiro arranjo e 159,4 a 267,9 TR para o segundo. Ambos os modelos operam com cargas parciais. Abstract : Metallic and ceramic materials have high melting temperatures, resulting in high energy consumption in the respective melting furnaces. The melting process occurs continuously at temperatures above 1400 °C. The energy flow carried by the exhaust gases in furnaces analyzed in this work ranges from 50 % to 60 % of the energy inserted with the burning of the natural gas, still presenting great potential of energy. Therefore, the main objective is to study the energetic and exergetic viability for the generation of electric or refrigerating capacity power using the available energy in the exhaust gases. For this purpose, a mathematical model was developed in the Engineering Equation Solver (EES) software to solve the energy and exergy balance of two ceramic frit melting furnaces and a sodium silicate melting furnace, besides the linkage with a Rankine cycle and with absorption Chillers. The firsts furnaces use oxygen and the latter uses air as oxidizer. Experimental data obtained from previous studies on field were used, considering new hypotheses. With the analysis of the Rankine cycle connected to the furnaces it is possible to generate superheated steam with 20 bar and 450 °C and thus generate electric power between 78 and 152 kW. Dilution of exhaust gases with ambient air, common practice in these industries, was investigated to identify the impact it would have on the generation of electric energy. For a dilution up to 30 % of the air present in the blend there was a reduction of 26.1 % in the efficiencies and heat transfer rates of the cycle. Adopting Chillers models of absorption in the market were modeled scenarios with Chillers operating with the direct passage of the exhaust gases and with saturated steam produced in a HRSG to feed the generator of the absorption Chiller with saturated steam. It was produced from 12.5 to 20.1 TR of refrigeration capacity for the activity with the first arrangement and 159.4 to 267.9 TR for the second. Both models operate with partial loads.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Este trabalho apresenta uma análise térmica numérica em CFD de uma calha de transferência de metal líquido, aquecida através de gases provenientes da combustão de gás natural. Calhas de transferência são equipamentos utilizados na movimentação de metal no estado líquido dentro de plantas de fundição ou outras indústrias. O funcionamento de uma calha e as diferentes configurações geométricas existentes, também são discutidos. Um apanhado de trabalhos previamente publicados acerca deste tipo de equipamento é apresentado e sumarizado. A calha avaliada é simulada no software comercial Ansys CFX com vazões mássicas de 1,0 t/h de alumínio líquido e 2,7 m³/h de gás natural. Na simulação são incluídos os fenômenos da combustão do gás natural, da troca térmica radiativa, convectiva e condutiva, do escoamento turbulento dos gases em canais internos à calha e do escoamento do alumínio líquido. A análise da combustão e a simulação do escoamento dos gases dentro da calha é realizada para vários modelos diferentes, com foco na interação dos gases quentes com os diferentes materiais da calha. Na simulação são incorporadas diversas simplificações derivadas dos atuais modelos apresentados por empresas fabricantes destes equipamentos. Os resultados das simulações são apresentados na forma de balanços de energia e análises da distribuição do calor ao longo da calha. Uma análise exergética da troca de calor dentro da calha é realizada juntamente com uma avaliação dos custos de operação. Comparações de fluxos de calor e temperaturas são realizadas para os diversos modelos avaliados. Ao final, uma configuração de maior eficiência é obtida e atesta-se a viabilidade da construção deste tipo de calha. Abstract : This work presents a CFD numerical thermal analysis of a liquid metal transfer trough heated by flue gases from natural gas combustion. Transfer troughs are equipment used within foundry plants or other industries for the movement of metal in liquid state. The operation of a trough and different existing geometric configurations are also discussed. A collection of previously published works on this type of equipment is presented and summarized. The evaluated trough is simulated in the commercial software Ansys CFX with mass flow rates of 1.0 t/h for the liquid aluminum and 2.7 m³/h for the natural gas. In the simulation, are included the phenomena of the combustion of the natural gas, the radiative, convective and conductive thermal exchange, the turbulent flow of the gases inside channels and the liquid aluminum flow. Combustion analysis and simulation of gas flow within the trough is performed for several different models, focusing on the interaction of the hot flue gases with the different trough materials. Several simplifications derived from the current models presented by manufacturers of these equipments are incorporated in the simulation. The results of the simulations are presented in the form of energy balances and analyzes of the heat distribution along the trough. An exergy analysis of the heat exchange within the trough is performed together with an evaluation of the operating costs. Comparisons of heat flows and temperatures are performed for the various models evaluated. At the end, a more efficient configuration is obtained and the viability of the construction of this type of trough is attested.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Neste trabalho, analisa-se a conversão de energia da madeira em energia térmica e elétrica considerando as rotas tecnológicas do cavaco e dos pellets. Análise de exergia, análise de ciclo de vida e avaliação exergoambiental são realizadas, considerando os cavacos de madeira para geração de eletricidade em uma central termelétrica e pellets de madeira para geração distribuída em micro plantas de cogeração. Os consumos de óleo diesel, eletricidade e biomassa são levantados ao longo de ambas as cadeias produtivas. Os resultados encontrados mostraram a melhor rota tecnológica com base na exergia destruída e impactos ambientais em termos de emissão de CO2, esgotamento de recursos energéticos fósseis e uso do terra. Para a mesma eficiência da planta de conversão de energia, o desempenho exergético e as emissões de CO2 são muito próximos quando ambas as rotas tecnológicas são comparadas. Para qualquer eficiência da planta de conversão, a rota do pellet apresenta menor impacto ambiental quando comparado o esgotamento de recursos energéticos fósseis e o uso da terra de ambas as rotas. Além disso, levando em consideração toda a cadeia produtiva, a eficiência da planta de conversão de energia desempenha um efeito significativo na destruição de exergia e nos impactos ambientais. Assim, considerando a característica de alta eficiência das micro plantas de cogeração à base de pellets (combined heat and power), a rota tecnológica dos pellets apresenta melhores desempenhos exergético e ambiental. A avaliação exergoambiental realizada revela que o processamento de biomassa seguido pela extração florestal são as etapas da cadeia com maior potencial de implementação de melhoria para ambas as rotas tecnológicas. Finalmente, a análise de sensibilidade mostra que a variação do consumo específico de combustíveis de ± 50% das diferentes etapas ao longo da cadeia produtiva causa uma variação da eficiência global de até ± 1,5%. Abstract : In this work the wood energy conversion into power and heating processes concerning the chips and pellets production chain is analyzed. An exergy analysis, a life cycle assessment and an exergoenvironmental evaluation are performed, considering the wood chips for electricity generation in a central power plant and wood pellets for distributed generation. The consumption of diesel oil, electricity and biomass itself was carried out along both production chains. The found results have shown the best way based on the exergy destruction and environmental impacts based on CO2 emission, fossil fuel depletion and land use. For the same energy conversion plant efficiency, the exergetic performance and the CO2 emissions are very close when both the technological routes are compared. For any conversion plant efficiency, the pellet route present less environmental impact when the fossil fuel depletion and land use of both the routes are compared. Also, taking into account the whole production chain, the energy conversion efficiency role a significant effect on the exergy destruction and environmental impacts. Thus, considering the high efficiency characteristic of the micro cogeneration plants based on pellets (combined heat and power), the pellets technological route presents better exergetic and environmental performance. The exergoenvironmental evaluation reveals that the biomass processing followed by the forest extraction are the stages with bigger potential to be improved in both the technological routes. Finally, the sensitivity analysis shows that the ±50% specific energy consumption variation of the different stages along the production chain cause an overall exergetic efficiency variation up to ±1.5%.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. Abstract : The present dissertation is dedicated to study heat exchangers applied to high temperature furnaces, in order to recover thermal energy from flue gases. Applications as preheating the combustion air, for the purpose of reduce the fuel consumption and others are emphasized. The classification of these equipments is varied, but the two most important types are the recuperators and regenerators. The particularities of each one them are shown in this work. The study is focused on the radiative recuperators due to its extensive use and simplicity in construction and assembly. Traditionally, LMTD and ??-NTU methods are used for the calculation and design of heat exchangers. CFD simulation of the heat transfer and fluid mechanics phenomena are involved, resulting in a numerical solution of temperature distributions and recuperator effectiveness. In addition the influence of parameters such as the flue gases temperature and flow rate, the air flow rate on the effectiveness are studied and some conclusions are presented. Finally, an experimental approach is considered in order to compare the respective results with the simulated one, for a particular type of heat exchanger. INTRODUÇÃO: O aproveitamento da energia residual nos equipamentos industriais como fornos de grande e médio porte é uma tendência cada vez maior, face ao crescente consumo mundial de energia. Este aproveitamento é feito, principalmente, com o uso detrocadores de calor que recuperam parte da energia proveniente dos gases de exaustão, a qual normalmente é utilizada no pré-aquecimento do ar de combustão ou para outros usos como secagem de produtos e condicionamento de ar. No caso de fornos industriais, os recuperadores e os regeneradores são os equipamentos mais usados. As diferenças entre estes dois tipos de equipamentos são explicadas mais detalhadamente neste trabalho. Os recuperadores radiativos tem especial importância devido a sua simplicidade de instalação e por serem os recuperadores mais usados nestes fornos. OBJETIVOS: O objetivo geral deste trabalho é estudar os principais parâmetros que influenciam a efetividade térmica nos recuperadores radiativos, utilizando a metodologia de simulação numérica por CFD. Os objetivos específicos estabelecidos neste trabalho são os seguintes:1. Fazer uma revisão bibliográfica dos recuperadores e regeneradores e um resumo sobre os conceitos fundamentais para o projeto de trocadores de calor;2. Simular com o software ANSYS CFX as configurações mais importantes de recuperadores radiativos para obter a efetividade e outras variáveis de interesse;3. Comparar os resultados simulados com os métodos tradicionalmente utilizados no cálculo de trocadores de calor; e4. Comparar os modelos simulados com medições feitas em um trocador instalado e em funcionamento. MATERIAIS E METODOS: A metodologia deste trabalho consiste em construir modelos discretizados de um trocador de tubos concêntricos a contra-corrente, utilizando o software ANSYS CFX, o qual é baseado no método dos volumes finitos. Variáveis como vazão mássica e temperatura são alteradas para o ar e gases de exaustão, de forma a determinar a influência destas na efetividade do trocador. Diferentes configurações geométricas (sem aletas, com aletas, com tubulações internas), também são analisadas. Uma abordagem experimental é feita para comparar os valores simulados com os valores medidos. RESULTADOS: No primeiro caso analisado, a temperatura e a vazão do gases de exaustão foram variadas. A geometria foi fixada e consiste em uma chaminé cilíndrica por onde escoam os gases de exaustão, ao redor da qual escoa o ar para pré-aquecimento, sendo o recuperador isolado na parte exterior. Os resultados obtidos mostram que, à medida que a vazão dos gases de exaustão aumenta, a efetividade do trocador aumenta também. Para o caso de uma temperature de entrada dos gases de exaustão de 1200 K e uma vazão de 0,0842 kg/s, a efetividade calculada pela simulacão é de 30%. Já para o caso de uma temperatura 530 K e uma vazão de 0,5 kg/s, a efetividade aumentou a um valor de 51%. A efetividade analítica calculada pelo método ??-NTU para a temperatura de entrada de gases de 1200 K e uma vaão de 0,0842 kg/s é de 1,6% e para uma temperatura e vazão de gases de 530 K e 0,5 kg/s respetivamente, a efetividade pelo método ??-NTU aumenta para 2,1%. No segundo caso, apenas a vazão de ar mudou. As condições dos gases na entrada foram fixadas em 1200 K e 0,0842 kg/s e a temperatura na entrada do ar foi fixada em 298 K. A efetividade foi de 34% para o caso de 0,5 kg/s de vazão de ar e foi de 35% para a vazão de ar de 1 kg/s. As efetividades pelo método ??-NTU são de 6,0% para uma vazão de 0,5 kg/s e de 15,5% para o caso de uma vazão de 1 kg/s . No terceiro caso, foi mudada a geometria da parede exterior da chaminé e foram adicionadas aletas para aumentar a superfície de troca de calor com o ar. Para umas condições de 0,0842 kg/s e 1200 K de entrada nos gases de exaustão e uma vazão de 0,1 kg/s de ar a 298 K e com a adição de 80 aletas, a efetividade resultou em 42%. A queda de pressão com o aumento de aletas também foi calculado. Para o caso sem aletas a queda de pressão resultou em 10,2 Pa e 128,2 Pa para o caso de 80 aletas. O último caso analisado foi uma geometria tipo gaiola onde escoa o ar por tubulações no interior da chaminé. A efetividade resultou no maior valor dentre todos os casos de 45%. Entretanto a queda de pressão calculada foi de 420 Pa. A análise experimental apresentou um bom resultado comparado com a solução simulada, tendo uma diferença de aproximadamente 11 K nas temperaturas de saída, tanto de ar e de gases. A redução no consumo de combustível foi calculada e apresentou um valor de 38% para um trocador montado num forno de cristais, considerando apenas a perda de energia no forno, não incluindo a perda associada aos gases de exaustão. Aumentando o comprimento do trocador em quatro vezes, ocorre a diminuição do consumo de combustível em 51%, além do que aumenta a efetividade do trocador em 35%. CONCLUSÕES: As efetividades do recuperador são diretamente proporcionais à vazão dos gases de exaustão; quanto maior esta vazão, maior é a efetividade. Os métodos tradicionais de cálculo de trocadores de calor, como o método ??-NTU, apresentam resultados afastados dos resultados simulados, pelo fato de não ter em conta a radiação dos gases de exaustão. Esta diferença é quase de 90%. Dessa forma, os métodos tradicionais apresentam uma diferença no caso de recuperadores radiativos para temperaturas superiores a 1200 K. Quando a temperatura dos gases diminui e a vazão aumenta, a radiação térmica deixa de ser o mecanismo dominante. Como trabalho futuro propõe-se um parâmetro para classificar os recuperadores baseado no principal mecanismo de trasferência de calor. O uso de superfícies extendidas aumenta a efetividade dos recuperadores, mas também aumenta a queda de pressão no escoamento. Um número ótimo de aletas poderia ser calculado para uma queda de pressão adequada. A redução em consumo de combustivel é considerável; quando o ar é pré-aquecido até ~600 K a redução pode chegar a 51% das perdas associadas ao forno.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. Abstract : This study aims the adoption of appropriate experimental and numerical formulation for the thermal description of a whole industrial furnace used for production of ceramic frits, a material requested for glazes and coatings of tiles and porcelains. The current production in the studied kiln is over 700 kg/h and the furnace consumes around 1 MW by firing natural gas with pure oxygen. Experimental measurements of the kiln are conducted where temperature at the external walls, outlet load temperature, temperature of the flue gas and its composition are taken. In processes at high temperatures as in the case herein, radiative heat transfer is dominant and the presence of species like ?CO?_2 and H_2 O impact in this phenomenon since they are participant gas. Numerically the analyses focus in processes as combustion, flow of gas, energy transport and the subsequent heat transfer to the load. These phenomena are solved in the commercial software CFX. Eddy Dissipation Model (EDM), Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) and model k-?? with turbulence intensity of 5% are selected as models for combustion, radiative absorptivity and turbulence, respectively. A kinetic model WD 1-step is chosen for ?CH?_4/O_2 reaction under slightly excess of oxidizer. The combustion chamber and load domain are solved separately but they are coupled during iterations to improve stability and reduce computational cost. A simplified multiphase formulation using thermodynamic properties as a function of temperature is prescribed at the load. Experimental measurements of the kiln are used to validate numerical results. Two new positions of chimney are proposed and the performance of the furnaces are compared with the current model at the factory. Parameters of production are evaluated at the three models and compared with focus in the improvement of productivity. An improvement in production is observed for chimney in the front top of furnace. The current case, with chimney in the top back, presents the second best configuration tested, followed by the case with chimney in the top center. Este estudo objetiva a adoção de uma formulação experimental e numérica apropriada para a descrição térmica de um forno industrial completo para a produção de fritas cerâmicas, material utilizado em esmaltes e revestimentos de pisos e porcelanatos. A produção atual do forno estudado é acima de 700 kg/h e o forno consome em torno de 1 MW através da queima de gás natural e oxigênio puro. Medições experimentais do forno são conduzidas, onde as temperaturas das paredes externas, temperatura da saída de material, temperatura dos gases de exaustão e sua composição são tomadas. Em processos a altas temperaturas, como no caso desse trabalho, a transferência de calor por radiação é dominante e a presença de espécies como ?CO?_2 e H_2 O impacta neste fenômeno pois são conhecidos como gases participantes. Numericamente, as análises focam em processos como combustão, escoamento dos gases, transporte de energia e a sua subsequente transferência para as fritas. Tais fenômenos são resolvidos no software comercial CFX. Modelo de dissipação EDM, soma ponderada dos gases cinzas (WSGG) e modelo de turbulência ?? - ?? com intensidade turbulenta de 5% são selecionados para modelar a combustão, absorção de radiação pelos gases e turbulência, respectivamente. O mecanismo cinético WD de 1 passo é escolhido para a reação do ?CH?_4/O_2 sob leve excesso de comburente. A câmara de combustão e carga são resolvidas separadamente, mas a influência deles é acoplada durante as iterações para melhorar a estabilidade e reduzir o custo computacional. Uma formulação multifásica simplificada que utiliza propriedades termodinâmicas como função da temperatura é prescrita no banho de matéria-prima. Medições experimentais do forno são utilizadas para validar os resultados numéricos. Duas novas posições para a chaminé são propostas e o desempenho dos fornos é comparado com o atual modelo encontrado na fábrica. Parâmetros de produção são avaliados nos três modelos e confrontados com foco na produtividade. Um aperfeiçoamento no rendimento é observado para o caso com chaminé na parte frontal superior do forno. O modelo atual, com chaminé na parte superior posterior, apresenta-se como a segunda melhor configuração testada, seguida pelo caso com chaminé na parte superior central.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. Este trabalho apresenta a análise térmica de um secador de madeiras industrial, com trocador de calor de tubos concêntricos. Em parte desta análise dados experimentais foram levantados em um secador industrial em operação. Também foi feita uma simulação numérica com dois modelos usando o método dos volumes finitos, software Ansys CFX 14.0, um para o ambiente interno do secador e outro para o trocador de calor, pois se trata de aquecimento indireto. A análise experimental apresentou temperaturas de operação abaixo das recomendadas na literatura. Também se observou uma queima de biomassa com elevado excesso de ar e grandes perdas de energia pelos gases na chaminé e pelas paredes externas. Os resultados da análise em CFD, como os campos de velocidade, temperaturas, trocas térmicas e perdas de calor são apresentados e discutidos para os dois modelos. Os resultados das medições foram comparados aos resultados da simulação, mostrando a adequação dos modelos numéricos. Descrevendo o funcionamento de um secador de madeiras industrial e de um trocador de calor de tubos concêntricos, o método aplicado neste trabalho pode ser empregado na simulação de equipamentos similares, permitindo analisar alternativas com o objetivo de aprimorar os respectivos desempenhos. Abstract : This work presents the thermal analysis of an industrial wood-drying kiln comprising a concentric tube heat exchanger. Experimental data was partially achieved from an operating wood-drying kiln. Furthermore, a numerical simulation was performed according to two models based on the finite volume method (software Ansys CFX 14): one model for the wood-drying kiln interior and another for the heat exchanger, as indirect heating is concerned. The experimental analysis indicated operating temperatures lower than those recommended by the specific literature. A biomass burning with high air excess and considerable energy losses through the gases in the chimney and through external walls was also observed. The outcomes from the CFD analysis, such as velocity profiles, temperatures, heat transfer and heat loss are provided and discussed for both models. The experimental results properly correlate with the data obtained by simulation, which validate the adequacy of the chosen models. With the aim to describe the behavior of a wood-drying kiln and a concentric tub heat exchanger. The numerical method enables to analyse different alternatives to improve equipment performance. By depicting the operating parameters of a wood-drying kiln and a concentric tube heat exchanger, the method here applied may be applied in the simulation of similar equipment, allowing for the evaluation of alternatives with the aims of improving the referred performances.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016. O processo de secagem na indústria cerâmica visa a retirada de água da peça antes que esta prossiga para a fase da queima. Nas plantas de grande e médio porte, a etapa de secagem ocorre em regime convectivo em secadores túnel em contracorrente. Neste tipo de secador, tijolo e ar entram em vértices contrários e escoam em diferentes sentidos. A modelagem deste processo considerou os fenômenos de transferência de quantidade de movimento no ar de secagem e a transferência de calor e de massa entre o ar de secagem e o meio poroso. Doze estudos de caso foram simulados variando parâmetros de temperatura e de velocidade do ar de secagem e tempo de residência do tijolo no secador. Com os resultados espera-se que seja possível fornecer ao produtor subsídios teóricos de modo a se melhorar a produção, com um produto de maior qualidade e com menos energia gasta durante a secagem. Os resultados indicaram que um aumento na velocidade de entrada do ar de secagem leva a maiores valores médios dos coeficientes de transferência convectiva e taxas de secagem. Para maiores velocidades, os gradientes internos residuais calculados apresentavam os menores valores. Contudo, a eficiência no uso da energia é menor quanto maior for a velocidade de entrada do ar. Já o aumento da temperatura do ar de secagem causa a elevação dos coeficientes de transferência convectiva, aumento das taxas de secagem e da eficiência no consumo de energia e uma redução nos gradientes residuais. A redução do tempo de residência do tijolo dentro do secador reduz o tempo total demandado pela secagem, levando a um menor gasto de combustível. Nestes estudos de caso, as taxas de secagem e os coeficientes de transferência convectiva são baixos se comparados a outros estudos de caso com mesma velocidade de entrada do ar de secagem. Os maiores gradientes residuais de temperatura e umidade foram encontrados nestes estudos de caso. Para velocidades de 0,2 m s-1 obteve-se os maiores valores de eficiência térmica, mas também se obtiveram os maiores valores de gradientes residuais e em alguns estudos de caso o produto final da secagem apresentava uma quantidade maior de umidade do que o desejado. A elevação da temperatura do ar de secagem combinada com um ar entrando com velocidade de 0,5 m s-1 apresentou os melhores resultados combinados de eficiência térmica e gradientes residuais. Abstract : Drying process in the ceramics industry aims to remove water from the brick before it goes to the firing phase. In medium to big industries, drying phase occurs in convective regime in horizontal tunnel dryers of countercurrent type. In this type of operation, the drying air in contact with the brick becomes hotter as it approaches the outlet of the dryer, which is the entry point of drying air. Modelling for this process took into consideration momentum transfer in the drying air and heat and mass transfer between air and porous medium. Twelve simulations were made taking varying parameters such as drying air inlet velocity and temperature as well as the movement of the brick inside the tunnel. With the results, this work aims to give to manufacturers the theoretical knowledge of how to increase thermal energy consumption efficiency as well as an increase of the production. Results have indicated that increasing the drying air inlet velocity results in the increase of drying rates, convective transfer coefficients and lower residual gradients of temperature and moisture, for higher velocities the thermal energy consumption efficiency is lower. Rising drying air temperature leads to increasing convective transfer coefficients, drying rates and thermal energy consumption efficiency, and decreases the residual gradients. Increasing the displacement velocity of the brick leads to a lower time for the drying, but also lower are the values calculated for convective transfer coefficients, drying rates and thermal efficiency and it also leads to the highest calculated values for the residual gradients. For a drying air inlet velocity of 0,2 m s-1 the biggest values of thermal efficiency were calculated, but also biggest were the residual gradients and for some simulations the final moisture content were higher than expected, indicating a non-complete drying. Elevating the drying air temperature combined with drying air inlet velocity of 0,5 m s-1 the best results for residual gradients and thermal efficiency.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 Este trabalho apresenta uma abordagem numérica e experimental aplicada a fornos túnel, usados na produção de blocos cerâmicos. Na parte experimental foi feito um levantamento detalhado sobre as variáveis envolvidas no processo, como as vazões de ar e de gases de combustão, consumo de combustível, produção e temperaturas diversas. Análises de gases de combustão também foram efetuadas. A simulação numérica foi feita através de modelo numérico desenvolvido com o auxílio de um software comercial, capaz de resolver o problema térmico de um forno túnel completo e analisar a influência de diversos parâmetros na operação do equipamento. O modelo é baseado no método dos Volumes Finitos e resolve o problema do escoamento de gases, a movimentação da carga e as trocas de calor no interior do forno. Para a modelagem dos fenômenos da turbulência e radiação foram empregados os modelos RANS e DTRM, respectivamente. Resultados como o padrão de escoamento de gases no interior do túnel e da carga, perfis de temperatura diversos, a influência de detalhes construtivos do forno, parcelas de distribuição da energia da combustão foram obtidos. Comparações entre os resultados experimentais e numéricos foram executadas, demonstrando que o modelo é bastante adequado para estimar o comportamento térmico global deste tipo de forno. Abstract : This work presents a numerical and experimental analysisof a tunnel kiln, applied to the production of ceramic bricks. The experimental approach consists of a detailed survey of thevariables involved in the process, as the flow of air and combustion gas, fuel consumption, production and temperatures.Flue gas analyzes were also performed. The numerical analysiswas performed through numerical modeling developed with theassistance of commercial software, able to solve the heatproblem of a complete tunnel kiln and analyze the influence ofvarious parameters in operating the equipment. The model isbased on the finite volume method and solves the problem of gasflow, the movement of the load and heat exchange within thefurnace. For the modeling of turbulence and radiation phenomenawere employed a RANS and the DTRM models, respectively.Results as gas flow inside the tunnel, temperature profiles, theinfluence of constructive details of the furnace and the energydistribution plots were obtained. Comparisons between experimental and numerical results were performed, showing thatthe model is quite adequate to estimate the overall thermal behavior of this type of kiln.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. A termografia pulsada (TP) é uma técnica promissora para a avaliação não-destrutiva de materiais. O protocolo de inspeção consiste na aplicação de um pulso térmico no espécime e monitorar a resposta térmica da superfície via radiação infravermelha (IV). Descontinuidades internas aparecem na sequência térmica como "hot spots" ou padrões térmicos irregulares, os quais são prodruzidos por alterações na taxa interna de difusão de calor. Apesar de ser uma das técnicas mais usadas e atrativas para a avaliação não-destrutiva, sua aplicação apresenta grandes desafios especialmente durante a inspeção de materiais anisotrópicos. 'Blurring', a perda de visibilidade devido aos efeitos da condução lateral de calor e a não-uniformidade produzida durante a excitação térmica representam as maiores limitações da TP. Esta tese é focada na otimização da inspeção por TP em laminados compósitos. Para tal propósito, foi desenvolvido um modelo termo-numérico para a análise da resposta térmica da material devido a presença de defeitos internos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido com o objetivo de estudar o impacto do aquecimento não-uniforme, da intensidade da radiação e da geometria dos defeitos em vários parâmetros informativos da inspeção por TP. Uma análise das três técnicas mais usadas para o tratamento de sinais termográficos foi realizada e os seus desempenhos foram avaliados em função da relação sinal-ruído no ponto de maior contraste entre região com defeito e região sem defeito. Neste trabalho foi desenvolvida uma nova técnica de processamento e análise de imagens térmicas. A nova técnica - baseada no método de regressão dos mínimos quadrados parciais (PLSR) - decompõe a sequência térmica em variáveis latentes, permitindo assim a separação das diversas fontes de ruído que afetam a qualidade das imagens. A partir deste método de correlação foi desenvolvido um modelo empírico para a quantificação da profundidade e tamanho lateral dos defeitos empregando dados experimentais. Ambos os métodos - de tratamento de sinais e quantificação de defeitos - foram analisados e comparados com técnicas tradicionais, apresentando uma melhoria substancial na relação sinal-ruído e na precisão no processo de inversão de profundidade e forma dos defeitos. Abstract: Pulsed thermography (PT) is a novel and promissory technique for the nondestructive and evaluation (NDT&E) of materials. The inspection protocol consists in pulse heating the specimen while monitoring the resulting thermal response via infrared (IR) radiation. Subsurface discontinuities appear as transient hot spots or irregular thermal patterns in the thermogram sequence, which are produced by the alterations in the internal heat diffusion fluxes. In spite of being one of the most used and attractive methods for the NDT&E, its application still presents challenges specially when inspecting anisotropic materials. 'Blurring', the lost of defect visibility due to the effects of lateral heat conduction and the non-uniform heating produced during the application of the thermal excitation, represent the major drawbacks of PT. This thesis is focused on the optimization of the PT inspection of laminated composites. A thermal-numerical model is developed in order to analysis the thermal response of the material due to the presence of subsurface defects. A parametric study was performed aiming to study the impact of the effects of non-uniform heating, irradiation density and defects geometry on several informative variables of the PT inspection. An in-depth analysis of three of the most used PT sinal processing techniques was carried out and their performance was evaluated in terms of the signal-to-noise (SNR) at maximum signal contrast. In this work was also developed a new promissory technique for the processing and analysis of thermographic data. The new method - based on partial least squares regression (PLSR) - decomposes the thermal sequence into latent variables, allowing to separate several sources of noise affecting the quality of the images. From the statistical correlation method an empirical model was developed for the quantification of the depth and lateral size of defects using experimental data. Both methods - for the signal processing and for the inversion of depth and lateral size - were analyzed and compared with traditional techniques, achieving a substantial improvement in the signal-to-noise ratio and in the accuracy in the prediction results of depth and lateral size of the defects.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. Este trabalho abrange o estudo de um forno industrial de produção de silicato de sódio, com o objetivo de fornecer subsídios para o aumento da eficiência energética e melhoria do seu desempenho. O trabalho incluiu o levantamento de dados in situ e também a modelagem numérica do processo. As medições envolveram vários parâmetros, sendo empregadas para o desenvolvimento e validação de um modelo numérico, capaz de analisar a influência dos diversos parâmetros na operação do forno. O modelo é baseado no método dos Volumes Finitos e resolve os fenômenos da turbulência, combustão e radiação, através dos modelos RANS, EDM e DTRM, respectivamente. O modelo envolve o forno por completo: cavidade com a queima de gás natural, banho de fusão da matéria-prima e paredes do forno. A liberação de CO2 pelo banho também foi considerada, tendo influência nas trocas radiativas internas. Os resultados experimentais indicaram grande potencial de economia de energia principalmente nos gases da chaminé representando 60 a 70% da energia de entrada do forno. Nos resultados numéricos a não consideração da liberação de CO2 na modelagem numérica se mostrou com diferença significativa no tratamento das trocas térmicas quando comparada com dados experimentais chegando a diferenças de mais de 18%. Essa diferença desce para menos de 10% quando modelada a liberação de CO2 pelo banho no modelo. Duas alterações na montagem do forno foram analisadas para um melhor desempenho do mesmo, inclinação do queimador e posição da chaminé demonstrando que uma pequena inclinação pode ser favorável ao processo. Abstract : This work covers the study of an industrial kiln for production of sodium silicate with the aim to provide subsidies to improve energy efficiency and performance. The study included data collection in sit and numerical modeling of the process. Measurements involved various parameters and were used for the development and validation of a numerical model, capable to analyze the influence of differents parameters on furnace operation. The model is based on the Finite Volume Method and solves the phenomena of turbulence, combustion and radiation through the RANS, EDM and DTRM models respectively. The model covers the complete kiln: fluid flow inside kiln cavity, the bath with melting product inside the kiln and the kiln walls. The release of CO2 by the bath was also taken into account, due to its influence on internal radiative heat exchanges. Collected experimental data indicated great potential for energy savings, mainly in the chimney gases representing 60-70% of the kiln energy input. The neglect of the CO2 liberation by the molten bath in the numerical model resulted in a significant difference between numerical and experimenatl results on the thermal exchanges reaching over 18%. This difference was reduced to less than 10% when the CO2 liberation was included in the same model. Two variations in the kiln's assembling were analyzed to obtain a better themal performance, the inlcination of the burner and the position of the chimney inlet. A small inclination of the burner was considered to be favorable to the process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. Este trabalho apresenta um método para a análise térmica de um forno a gás natural, do tipo cadinho, usado na produção artesanal de vidro cristal. Fazendo parte do setor vidreiro, a confecção de artefatos de vidro cristal para decoração possui características particulares, sendo normalmente tratada de forma isolada do restante do segmento. Poucos trabalhos acadêmicos são encontrados sobre o assunto. O vidro cristal possui alto teor de chumbo, atribuindo-lhe propriedades singulares como elevada densidade e índice de refração, baixo ponto de fusão, e facilidade no tratamento mecânico (corte, e polimento). Envolvendo diretamente fenômenos de combustão e de transferência de calor, o problema é simulado a partir dos softwares comerciais EES, e Ansys CFX 14.0. O último usa o método dos volumes finitos, simulando os domínios dos gases resultantes da combustão, da massa de vidro cristal, do cadinho, e paredes do forno. Foram realizadas medições em um forno em operação, com os valores medidos comparados aos resultados da simulação. Na análise experimental se detectou o equipamento trabalhando com elevado excesso de ar - 98% - e perdas significativas de energia por suas superfícies, através da janela de extração, e com a retirada do produto. No que diz respeito à análise em CFD, os campos de temperatura, velocidade e pressão dos gases, trocas radiativas e convectivas no interior do equipamento são apresentados e discutidos, bem como as perdas para o exterior são analisadas. Por impossibilidades de medição, três casos diferentes foram simulados, estudando o comportamento do escoamento sob variadas sucções. Os resultados obtidos foram condizentes com as medições, comprovando a importância do controle deste parâmetro no desempenho do forno. Descrevendo o funcionamento de um forno para produção artesanal de vidro cristal, o método aplicado neste trabalho pode ser empregado na simulação de fornos de alta temperatura com características semelhantes, permitindo a realização de análises variadas com o objetivo de aprimorar o desempenho térmico do processo. Abstract : This work presents a thermal analyses methodology for a ladle furnace heated by natural gas, used in the handmade production of lead crystal. Lead crystal decoration pieces have unique characteristics, being part of the glass industry, normally treated apart from the rest of the sector. Few academic works are found. With a high contend of lead oxide, lead crystal has particular properties such as high density, refractive index, low melting point, as well as easy mechanical treatment (cutting and polishment). The commercial softwares EES and Ansys CFX 14.0 were employed. The latter simulates combustion and heat transfer phenomena, using the finite volume method, simulating the gaseous domain, the crystal load, the ladle, and the furnace´s walls. Experimental measurements were taken in an operating furnace, comparing the values with the simulation results. For the experimental analyses a high contend of excess air was found - 98%. Significant amount of energy left the furnace by its surfaces, by the extracting window, and with the load. For the CFD results the temperature field, the gases´ velocity and pressure, radiative and convective heat exchange are presented and discussed, the heat loss are also analyzed. Because of lack of data, three different cases were simulated, analyzing the suction influence on the flow behavior. The results were in accordance with the measurements, affirming the necessity of controlling this parameter for the furnace's performance. Although this work describes the operation of a handmade lead crystal furnace, the methodology applied in it can be used for simulating high temperature furnaces with similar characteristics, allowing different analyses, aiming to improve thermal efficiency of the process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 Atualmente existem dois metodos de inspeçao termografica: termografia passiva e termografia ativa. Enquanto na termografia ativa, uma estimulaçao externa é usada para provocar um fuxo de calor interno no objeto, na termografia passiva nenhuma estimulaçao é usada. No presente trabalho, investiga-se a aplicaçao da termografia ativa para detectar e caracterizar defeitos internos em materiais ceramicos. Para tal proposito, é analisado o comportamento térmico do material ao ser exposto a diferentes regimes de resfriamento. Uma formulaçao numerica é proposta para simular o processo térmico, consistindo na soluçao da equaçao da energia em regime transiente e 3D, usando volumes finitos, permitindo desta forma o estudo do fenomeno de difusao interna de calor e as transferencias por conveccao e radiaçao com o ambiente externo. As simulaçoes foram realizadas variando diferentes parametros, tais como a profundidade e diametro dos defeitos, localizaçao e propriedades termofisicas. Os mapas termicos das superficies em questao foram comparados com mediçoes feitas em laboratorio utilizando uma camara infravermelha. As mediçoes foram realizadas em tijolos ceramicos maciços. Parametros de detecçao como o Contraste Termico Absoluto e o Contraste Termico Standard foram utilizados. Este ultimo mostrou melhor nivel de detecçao, decorrente da eliminaçao das interferencias do ambiente externo.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 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 Mecânica, Florianópolis, 2007. 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.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. O presente trabalho tem como objetivo a realização de uma análise geral, visando determinar a eficiência térmica de um forno a rolos, a fim de gerar subsídios para propostas de economia de energia, sem acarretar prejuízos à qualidade dos produtos ou à eficiência do processo de produção. Os fornos a rolos são usados pela maior parte das indústrias cerâmicas de revestimento e constituem os maiores consumidores de gás natural do setor. Um forno a rolos típico é abordado através de simulações numéricas e experimentalmente. Medidas dos fluxos e da composição dos gases e da massa processada, das temperaturas, das pressões são realizadas no conjunto do forno. Simulações dos fluxos de massa e de energia são feitas para estudar o impacto de parâmetros operacionais na eficiência energética do conjunto. Os resultados mostram que melhorias significativas são conseguidas controlando os fluxos de massa dentro do forno, principalmente não permitindo que o ar da região fria, de resfriamento, penetre na seção de queima. Estes equipamentos possuem uma curva de temperatura pré-estabelecida ao longo de seu comprimento, enquanto mantém uma temperatura o mais constante possível na secção transversal. Estas características são conseguidas normalmente aumentando-se o fluxo de gases dentro do forno, o que aumenta a sua inércia térmica. Por outro lado fluxos de gases mais elevados diminuem a eficiência térmica do forno. Programas numéricos são usados para a simulação do comportamento do forno, permitindo antever a influência dos diversos parâmetros. Resultados gerais e específicos, como a participação da troca de calor por radiação, são apresentados e discutidos. The present work has as objective the accomplishment of a general analysis, aiming at to determine the thermal efficiency of a rollers kiln, in order to generate subsidies for proposals of energy economy, without causing damages to the product quality or the efficiency of the production process. The rollers Kiln are used mostly by the floor tile ceramic industries and constitute the sector's greater consumers of natural gas. A typical rollers kiln is boarded through numerical simulations and also experimentally. Measures of the flows, composition of the gases, processed mass, temperatures and pressures are carried through in the set of the oven. Simulations of the energy and mass flows are made to study the impact of operational parameters in the energy efficiency of the set. The results show that significant improvements can be obtained controlling the flows of mass inside of the oven, not allowing that the air of the cold region to penetrate in the burning section. This equipment have pre- established temperature curve throughout its entire length, while keeping the temperature in the transversal section as constant as possible. These characteristics are obtained increasing the flow of gases inside of the rollers kiln and therefore its thermal inertia. On the other hand increased gas flows diminish the thermal efficiency of the rollers kiln. Numerical programs are used to simulate the rollers kiln's behavior and help foreseeing each parameter's influence. General and specific results, as the participation of the radiation heat exchange, are presented and argued.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. 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.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. A indústria de cerâmica vermelha possui grande representatividade na indústria de Santa Catarina, sendo responsável pela geração de um grande número de empregos. Entretanto, a falta de investimento tanto por parte do governo, quanto por parte dos empresários, estagnaram o desenvolvimento deste setor, que hoje se encontra cerca de 50 anos defasados em relação a países como Itália e Espanha. Devido a sua natureza, que necessita de calor para transformação do material, este setor apresenta grande dispêndio de energia térmica, proveniente da queima de materiais orgânicos. Atualmente a queima de produtos cerâmicos é realizada de forma contínua, semi-contínua ou intermitente. A eficiência obtida com os fornos intermitentes é muito baixa, consumindo em certos casos, cinco vezes mais energia do que os modernos fornos túneis. Apesar de sua baixa eficiência, os fornos intermitentes são encontrados com maior freqüência nas empresas de Santa Catarina. Porém a substituição dos fornos deverá ser feita ao longo do tempo, pelo alto custo dos fornos contínuos. Buscando melhor avaliar o comportamento dos fornos intermitentes durante o processo de queima, foram realizadas simulações numéricas utilizando um programa em linguagem Fortran (Simfint), desenvolvido durante o trabalho de conversão do forno, identificando as perdas presentes no processo. Para avaliar o comportamentos dos gases presentes no interior do forno foi utilizado o pacote computacional CFX 5, que utiliza ferramentas de CFD, fornecendo os campos de pressão e de velocidade no interior do forno. Tais dados foram comprovados experimentalmente a partir de um forno modelo já convertido ao gás natural. Ao Simfint, foram incluídas as equações referentes às perdas causadas pelas reações sofridas pelo material durante seu aquecimento e queima, assim modelando com maior fidelidade o fenômeno estudado. Com essas ferramentas, foram identificados os mecanismos de perdas de energia e possíveis melhorias do processo, apresentando uma alternativa viável para minimizar os problemas decorrentes do elevado consumo de energia.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. Existe uma variedade de aplicações nas quais sistemas multicamadas são submetidos à transferência radiativa, tais como módulos fotovoltaicos, espelhos, polarizadores

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Uma das etapas mais importantes do processo de fabricação de produtos cerâmicos é a etapa de secagem. Esta etapa deve, de maneira geral, estar sincronizada com o processo de queima, caso contrário pode se tornar o gargalo para o aumento da produção. A secagem pode se dar de forma natural (ao ar livre) ou forçada, em equipamentos denominados secadores. Atualmente, o projeto, a construção e a regulagem destes equipamentos levam em conta muito mais o empirismo do que a compreensão fenomenológica. De maneira geral, são utilizados nos secadores combustíveis baratos ou uma parcela de energia que é recuperada dos fornos, os quais, não raro, utilizam um combustível mais nobre. Neste caso, o mau balanceamento entre a quantidade de energia total retirada e a quantidade de energia recuperada durante o resfriamento das peças, pode aumentar, consideravelmente, o consumo de combustível do forno. É apresentado um estudo do fenômeno da secagem, uma avaliação experimental das principais variáveis envolvidas no processo e a elaboração de um programa de simulação computacional para o projeto e a análise de secadores contínuos do tipo túnel. Com o auxílio do programa computacional é possível calcular o tempo de secagem, a capacidade de um secador, a energia requerida, a vazão de ar necessária, etc. Resultados experimentais obtidos através de testes de laboratório e atividades em campo são apresentados. Este trabalho foi desenvolvido dentro do contexto das pesquisas de desenvolvimento tecnológico para a aplicação de gás natural na indústria de cerâmica vermelha. One important step of ceramic products manufacturing is the drying procedure. The clay drying procedure must be synchronized with the clay firing procedure, otherwise it may become a limitation to the production enhance. The current adjusting and project of dryers are rather based on empirical knowledges. This work presents a study of clay drying phenomena and the experimental evaluation of the main variables of the process. The obtained data and parameters are used in a computational simulation program created, which serve as tool for project and analysis of continuous kiln dryers. The computational simulation program can be used to estimate the drying duration, the required thermal power, the air flow rate, etc. Experimental results are presented by laboratory and industrial tests. This work was developed in the context of applied researches on natural gas.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. A utilização de fornos túneis é uma tendência mundial na indústria de cerâmica vermelha. No Brasil, as empresas estão começando a instalar fornos deste tipo para a queima de produtos cerâmicos, buscando melhorar a produtividade e a qualidade. A queima de gás natural nestes fornos também é uma tendência mundial. No Brasil, o combustível mais utilizado ainda é a lenha ou seus resíduos, como a serragem. Entretanto, são crescentes as barreiras impostas ao uso de lenha nativa. Ao mesmo tempo tem-se a perspectiva do aumento da utilização dos resíduos para fins mais nobres, como a geração de energia elétrica e a produção de aglomerados para a indústria moveleira. No presente trabalho foi analisado o comportamento térmico de um forno túnel, com vistas à conversão da queima de serragem para gás natural. O forno estudado foi escolhido com base no interesse da empresa em participar do trabalho e na sua proximidade em relação à rede de gás natural. Uma formulação matemática foi proposta para simular o comportamento térmico do forno, levando em consideração as trocas de calor entre seus diferentes componentes. Um programa computacional foi desenvolvido para resolver a formulação. Simulações foram realizadas para diferentes condições de operação do forno, visando obter o perfil de temperaturas ao longo do mesmo e o balanço global de energia. Dados experimentais foram obtidos em campo, a partir de medições realizadas no forno escolhido. Foram medidos diferentes parâmetros como temperatura, pressão e composição dos gases ao longo do forno, vazão de serragem consumida, produção, temperatura e vazão de ar quente recuperado para secagem e de ar insuflado para combustão. Alguns parâmetros foram utilizados como dados de entrada para o programa de simulação. Os resultados teóricos obtidos com as simulações do forno operando com serragem apresentaram boa concordância com os resultados experimentais. Simulações com gás natural também foram realizadas para verificar as modificações no comportamento térmico do forno, devidas à conversão do combustível, e permitir futuras análises de viabilidade para o uso do gás natural na cerâmica vermelha.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico.