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Metodologia de estudo e análise de escoamento de gases com transferência de calor por meio
de simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics) para otimização
do processo de carbonização da madeira em tecnologia DPC (Dry, Pyrolisis, Cooling)
Nota Técnica em atendimento ao Termo de Referência do contrato 49, do ano de 2013, entre CGEE e MDIC, para subsídios em:
“Modernização da Produção de Carvão Vegetal”
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MODERNIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL
Nota Técnica
“Metodologia de estudo e análise de escoamento de gases com transferência de calor por meio de simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics) para otimização do processo de carbonização da madeira
em tecnologia DPC (Dry, Pyrolisis, Cooling)”
Brasília, DF Julho 2014
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Centro de Gestão e Estudos Estratégicos Presidente Mariano Francisco Laplane Diretor Executivo Marcio de Miranda Santos Diretores Antonio Carlos Filgueira Galvão Gerson Gomes Centro de Gestão e Estudos Estratégicos - CGEE SCS Qd 9, Lote C, Torre C Ed. Parque Cidade Corporate - salas 401 a 405 70308-200 - Brasília, DF Telefone: (61) 3424.9600 Fax. (61) 3424 9659 http://www.cgee.org.br Este relatório é parte integrante das atividades desenvolvidas no âmbito do Contrato Administrativo CGEE/MDIC 49/2013/Ação: Subsídios para Revisão do Plano Siderurgia (Carvão Vegetal) - 29.1.1. Todos os direitos reservados pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE). Os textos contidos neste relatório não poderão ser reproduzidos, armazenados ou transmitidos.
Nota Técnica: “Metodologia de estudo e análise de escoamento de gases com transferência de calor por meio de simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics) para otimização do processo de carbonização da madeira em tecnologia DPC (Dry, Pyrolisis, Cooling)”. Subsídios 2014 ao Plano Siderurgia do MDIC: Modernização da Produção de Carvão Vegetal. Contrato Administrativo CGEE/MDIC 49/2013. Brasília: Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2014. 20 p. 1. Simulação Carbonização. 2. Otimização Carvão Vegetal. I. CGEE. II. Título.
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MODERNIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL
Nota Técnica
“Metodologia de estudo e análise de escoamento de gases com transferência de calor por meio de simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics) para otimização do processo de carbonização da madeira
em tecnologia DPC (Dry, Pyrolisis, Cooling)” Consultor Nehemias Lima Lacerda Equipe Técnica do CGEE Elyas Ferreira de Medeiros (Liderança do Estudo) Cristiano Hugo Cagnin (Apoio Metodológico) Marina Brasil (Apoio Administrativo)
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CONTEÚDO
RESUMO EXECUTIVO 6
1. INTRODUÇÃO 7
2. MÉTODO NUMÉRICO 8
3. SIMULAÇÃO DE COMPONENTES 10
3.1. Queimadores 10
3.2. Câmara de Fornos 12
3.3. Chaminés 13
3.4. Trocadores de Calor 14
4. SIMULAÇÃO DO PROCESSO DPC 17
5. INOVAÇÃO POR SPIN-‐OFF 17
6. CONCLUSÃO 18 REFERÊNCIAS 19
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RESUMO EXECUTIVO A demanda por carvão vegetal no setor siderúrgico brasileiro tem aumentado substancialmente nos últimos anos, acarretando maior produção deste insumo. A etapa de resfriamento tem sido constantemente reduzida como forma de diminuir a duração do processo de carbonização como um todo.
Para se otimizar o sistema de carbonização de modo geral é necessário que se produza uma distribuição de velocidade, pressão e temperatura, que contorne as toras de madeira de forma adequada, para transformá-‐las em blocos de carvão com maior eficiência (rendimento gravimétrico), assim como, outras melhorias que podem ser implementadas em diversos componentes do forno.
Esta distribuição é convenientemente obtida por meio de modificações com resultados antecipados por simulação computacional em CFD (computational fluid dynamics), a qual flexibiliza a solução de problemas de alta complexidade em engenharia, de modo rápido e a custos mais baixos do que realizar apenas experimentos físicos. As simulações são complementares aos ensaios experimentais, pois indicam a tendência da ocorrência de fenômenos reais, permitindo o conhecimento da intimidade do referido processo físico.
A simulação computacional propicia o estudo da formação de vórtices, recirculações e estratificação dos gases que conduzem a um ambiente interno com distribuição heterogênea de temperatura. Esta distribuição heterogênea normalmente produz carbonização inadequada propiciando a formação de tiço no que diz respeito ao forno. Por outro lado, os processos de aquecimento e resfriamento também contam com efeitos colaterais advindos da transferência de calor inadequada no respectivo equipamento. Os efeitos mais marcantes são o início do processo de carbonização utilizando madeira com maior teor de umidade e, na fase final, maior intervalo de tempo para resfriamento do carvão.
Apresenta-‐se a seguir uma metodologia avançada, podendo inclusive utilizar os mesmos critérios, ferramentas matemáticas, métodos computacionais e tecnologias adotadas na fronteira do conhecimento, para a produção de um padrão de escoamento e um processo de transferência de calor de modo mais eficiente.
Os maiores benefícios que podem ser obtidos com esta otimização será a melhor qualidade de queima do carvão, a maior quantidade de material carbonizado e o menor tempo de cada etapa do processo, resultando em redução do prazo para obtenção do produto final, redução de tiço e agressão ao meio-‐ambiente.
O objetivo do presente trabalho é indicar a aplicabilidade da tecnologia de simulação computacional, associada ao modelamento matemático para entendimento do comportamento geral do escoamento de gases, no interior de ambientes confinados sujeitos a gradientes térmicos, insuflamento e exaustão, assim como, das particularidades de cada caso, mostrando as oportunidades de melhorias do referido processo industrial.
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1. INTRODUÇÃO
O processo de industrialização no Brasil é altamente dependente do uso do carvão vegetal. A grande conveniência deste produto é seu baixo custo, sua origem ser de uma matéria-‐prima de grande abundância no País e o processo de produção do mesmo ser de fácil operação.
Com isto, diversas usinas de pequena capacidade de produção, adequadas ao mercado do aço foram instaladas no Brasil. A implantação da Usina Siderúrgica Nacional em Volta Redonda na década de 50 conduziu ao uso de coque do carvão mineral importado, conduzindo a uma competição entre as duas modalidades desta matéria-‐prima. Este fato causou uma queda no uso de carvão vegetal.
Por outro lado, os processos de redução que fazem uso do carvão vegetal são praticamente isentos de enxofre, conduzindo a produtos de melhor qualidade uma vez que apresentam baixos teores de inorgânicos.
Outro fato a se utilizar na justificativa do uso de carvão vegetal é que o uso deste apresenta menor agravamento do efeito estufa, tornando atrativa a produção deste termoredutor para as mais variadas aplicações da engenharia, sendo a siderurgia um grande mercado consumidor.
De acordo com informações obtidas no Balanço Energético Nacional (Brasil, 2011), a madeira e o carvão vegetal representam 9,7% da matriz energética nacional, sendo transformada em carvão um total de 33,1% da madeira produzida em 2010. Cerca de 84,8% do carvão vegetal produzido naquele ano foi direcionado ao setor siderúrgico do Brasil, correspondendo a 21,6% da energia demandada. Comparando-‐se estes dados estatísticos com o mercado mundial, verifica-‐se a dependência do Brasil nesta matéria-‐prima, pois no mundo representa apenas uma parcela de 1% na produção de ferro gusa.
Embora o carvão vegetal seja de grande valia para o setor siderúrgico, o sistema de produção ainda segue os mesmos moldes de séculos passados, tornando-‐se nos dias de hoje arcaico e rudimentar. A operação e desempenho do processo tornam-‐se dependentes de parâmetros físicos altamente variáveis de caso para caso.
Após a obtenção da madeira seca em campo, esta é transportada para as praças de carbonização, iniciando-‐se o processo de pirólise em fornos de alvenaria. Este processo tem uma duração de 5 a 11 dias. Neste mesmo local é realizado o resfriamento do material até que a temperatura aproxime-‐se de 40o C. A partir daí o carvão está pronto para ser armazenado e transportado.
Ocorre que o processo como um todo apresenta diversas perdas de energia que vai desde o escoamento interno no forno, até a perda térmica substancial durante o processo de resfriamento. O calor transmitido durante a fase de resfriamento pode ser utilizada na redução do tempo de secagem da madeira, propiciando a minimização do consumo energético na produção de carvão.
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Os fatores associados aos processos físicos de escoamento de gases com troca de calor podem ser otimizados por meio de simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics). Com isso, a modelagem matemática e simulação computacional capacitam a análise de diversas situações propiciando a concepção de novas soluções, a modernização de processos consagrados e o reparo de não conformidades de processos industriais que apresentam anomalias de desempenho.
A grande conveniência desta metodologia é a maior rapidez em se obter soluções de engenharia que capacitam o aumento da eficiência de processos físicos com consequente redução do consumo de energia e custos de produção. Este método computacional é largamente utilizado no desenvolvimento das tecnologias avançadas, tais como: aeronáutica, espacial, defesa, automotiva, energia, óleo e gás.
Além de ser um método altamente conveniente para melhoria de processos industriais, propicia o entendimento dos fenômenos físicos presentes com acesso aos parâmetros que regem o comportamento do escoamento com transferência de calor, conduzindo à otimização almejada e correspondentes inovações tecnológicas, agregando substancial valor ao processo industrial em estudo.
2. MÉTODO NUMÉRICO
As oportunidades de realização na engenharia moderna contam com soluções, anteriormente disponíveis, apenas por meio de grandes investimentos de recursos humanos e financeiros.
Com o advento da computação científica, foram desenvolvidos códigos computacionais comerciais para buscar as soluções de problemas de dinâmica de fluidos, a serem aplicadas a projetos de aeronaves, mísseis e foguetes.
Estes códigos normalmente contaram com a validação por meio de exaustivos ensaios experimentais em túneis de vento e laboratórios de física de fluidos. As soluções computacionais disponíveis no mercado estão configuradas para uma faixa ampla de situações possíveis, aplicáveis aos mais variados setores da economia.
O conjunto de códigos computacionais que permitem a simulação do escoamento de ar e produtos de combustão com troca térmica, de modo geral e em particular no interior de fornos de carbonização, normalmente são compostos por uma estrutura de módulos numéricos interligados para:
• Pré-‐processamento -‐ representação da descrição geométrica, malha de cálculo numérico e preparo para inserção das condições de contorno do problema;
• Processamento – cálculo numérico dos fenômenos físicos presentes no problema; e
• Pós-‐processamento – obtenção dos resultados referentes aos cálculos realizados constituídos de tabelas, gráficos e figuras para análise e confecção de relatórios.
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Após a malha que descreve o fenômeno físico em questão ser inserida no software de pós-‐processamento, todas as operações de cálculo de fluido são por ele executadas. Estas requerem a escolha do fluido de trabalho, por meio de propriedades físicas conhecidas. A definição dos modelos físicos a serem utilizados (regime permanente, transitório, turbulento, etc.) é realizada nesta etapa, antecedendo ao cálculo propriamente dito. A este também se inserem as condições de contorno.
O código computacional utilizado para simulação de escoamento de fluidos com troca térmica, normalmente aplica a técnica baseada em volume de controle, convertendo as equações que governam o fenômeno em estudo em equações algébricas, a serem resolvidas por meio de métodos numéricos.
A discretização das equações que governam o fenômeno físico representado pode ser ilustrada em se considerando as leis da conservação em regime permanente para o transporte da quantidade escalar Φ .
Isto é demonstrado pela equação escrita na forma integral para um volume de controle V, como se segue:
∫∫∫ ΦΦ +⋅Φ∇Γ=⋅ΦV
dVSAdAdv!!!!
ρ
( 1 )
Onde ρ é a densidade do fluido no interior do domínio computacional, ν o respectivo vetor velocidade, A o vetor área, ΓΦ é coeficiente de difusão de Φ e S é a fonte de Φ por unidade de volume.
A técnica de volume de controle consiste na integração das equações em cada elemento de volume, conduzindo a expressões algébricas discretas que conservam cada uma das quantidades em cada um destes elementos.
A equação 1 é aplicada para cada volume de controle, no domínio computacional completo. Uma vez que todo o domínio esteja decomposto em elementos discretos, o processo se aplica.
As células que compõem o domínio são exemplos de volume de controle localizado. A composição da equação 1 para elemento discreto em sua forma integral é conduzida, por meio do método de volumes finitos, a um sistema de equações lineares. Este sistema de equações lineares demanda o conhecimento das condições de contorno e da geometria do problema. Uma grande conveniência do método é a aplicação a problemas envolvendo geometrias complexas.
Uma vez que o problema esteja determinado por meio da geometria e das condições de contorno, o sistema de equações lineares torna-‐se passível de solução. Para problemas reais estas soluções normalmente são obtidas após certo número de iterações. O sistema de equações lineares oriundo da equação 1 é representado pela equação 2.
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dVSAdAvface sface s N
fn
N
fffff ΦΦ∑∑ +⋅Φ∇Γ=⋅Φ
!!!! )(ρ
( 2 )
A equação 2 é resolvida durante a fase de processamento em sua forma matricial e se aplica às situações reais multidimensionais para solução de escoamentos. O domínio da simulação aplicada a fornos de carbonização é formado por uma malha que representa toda a parte interna do forno, indicando a carga formada pelas toras de madeira, canais de insuflamento de ar quente, chaminé, trocadores de calor e demais acessórios representativos do processo, através do qual ocorre escoamento de fluido com transferências de calor.
Após a solução matemática dos fenômenos físicos presentes no domínio da simulação, procedem-‐se à coleta de informações por meio da representação gráfica de campos de velocidade, densidade, pressão, temperatura, etc. A distribuição de linhas de corrente do escoamento é de fundamental importância para se determinar o caminho segundo o qual o fluido de trabalho se desloca em todo o domínio do estudo.
O processo de visualização de escoamento, como mencionado acima, propicia a correção da geometria e condições operacionais do forno e seus acessórios, de modo a se otimizar o seu funcionamento ou criar inovações tecnológicas, rompendo-‐se paradigmas até então seguidos.
3. SIMULAÇÃO DE COMPONENTES
A aplicação da técnica de simulação computacional em CFD, para entendimento dos processos físicos presentes em fornos de carbonização de madeira, como demais áreas da engenharia, aplica-‐se tanto ao conjunto de componentes que constituem um forno, como também por um agrupamento de fornos em operação sincronizada.
Para se iniciar um trabalho neste sentido, deve-‐se otimizar cada um dos componentes principais do forno, composto por queimadores, câmara de confinamento das toras de madeira, chaminés, trocadores de calor e dutos de comunicação entre fornos em eventual operação sincronizada.
A partir dos resultados obtidos, sugere-‐se a simulação de conjuntos de modo a se obter a maximização dos resultados representados pela redução do tempo de carbonização, do consumo de energia e da geração de tiço. 3.1. Queimadores
Os queimadores são dispositivos que propiciam a combustão direcionada de substâncias inflamáveis que com a existência de comburente capacitam o aquecimento de gases por irradiação e convecção. O aquecimento de partes sólidas ocorre basicamente por condução.
Estes queimadores normalmente encerram um conhecimento adquirido por meio de extensivas pesquisas em laboratório em conjunto com simulações computacionais. As empresas que possuem este conhecimento normalmente registram este privilégio, uma vez que o apelo comercial destes artefatos é de grande valia. A figura 1 refere-‐se
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a uma iniciativa de projeto de um queimador baseada em conhecimento adquirido por meio de trabalhos práticos neste ramo da engenharia.
Figura 1 -‐ Simulação de queimador, por meio de projeto tradicional, para aquecimento a alta temperatura de câmara de forno.
O diferencial básico nesta tecnologia é que utiliza o plasma para que o processo de combustão seja mais eficiente. Por outro lado, a análise crítica do mesmo utilizando simulação em CFD mostrou particularidades internas as quais poderiam ser otimizadas.
Estas particularidades referem-‐se aos caminhos preferenciais dos gases presentes no interior do queimador, no processo de mistura entre combustível e comburente, assim como na formação de zonas de recirculação, as quais tendem a reduzir o desempenho do referido escoamento.
A parte interna original deste artefato foi alterada com base no conhecimento dos processos de escoamento de gases e produtos de combustão já dominados em combustores de turbo reator e motor-‐foguete segundo Saravanamuttoo (2009). Por meio da mesma teoria desenvolvida para estas aplicações aeronáutica e espacial em conjunto com extensivas simulações computacionais, obteve-‐se um queimador diferenciado que atendeu as expectativas dos operadores do referido processo industrial, como mostra a figura 2.
Figura 2 -‐ Simulação de queimador, por meio de projeto otimizado, para aquecimento a alta temperatura de câmara de forno com aumento de eficiência térmica.
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Este escoamento de gases produz um padrão de chama que propicia maior troca de calor com o ambiente circunvizinho. Este processo se dá pela existência do movimento dos gases da atmosfera reinante em ambiente confinado para a parte interior da chama, experimentando desta forma mais altas temperaturas.
A única alteração que pode ser vista pela parte externa deste queimador é que na área traseira deste existe um estreitamento de sua parede formando uma espécie de cintura. Este requisito foi inserido devido à formação de vórtices internos nesta região, os quais inibem um melhor escoamento e mistura dos gases.
A utilização de escoamentos periféricos, técnica também oriunda do conhecimento de turbo reator, propiciou maior resfriamento das paredes do queimador, uma vez que estas temperaturas são responsáveis pelo desgaste destas e consequente limitação do tempo de vida destes artefatos.
Queimadores como este, quando em ambiente confinado, também induzem movimentos adicionais aos gases presentes, podendo aumentar o processo de transferência de calor entre a fase gasosa e sólida, como as paredes e no caso de fornos de carbonização, o conjunto formado por toras de madeira.
3.2. Câmaras de Fornos
Como o processo de carbonização ocorre no interior da câmara do forno, esta deve ser objeto de grande ênfase em simulação computacional, uma vez que a produção de tiço e o tempo do processo de carbonização e resfriamento estão intimamente ligados aos gradientes térmicos presentes.
Uma situação que foi dominada, equivalente a este caso, encontra-‐se na indústria do alumínio. Os fornos de tratamento de bobinas deste metal, como mostra a figura 3, apresentam um grande volume e são dotados de aquecedores elétricos presentes em uma segunda câmara. No entanto, ambas as câmaras também apresentavam o problema de gradientes térmicos durante a fase de aquecimento das bobinas.
Figura 3 -‐ Simulação de tratamento térmico de bobinas de alumínio indicando a distribuição de temperatura e velocidade em torno destas no interior de um forno típico.
A figura 3 também mostra a distribuição de temperatura e velocidade do escoamento em torno de duas bobinas contíguas. Esta distribuição anteriormente indicava que
forno
T
V
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entre cinco bobinas colocadas, uma apresentava temperatura muito inferior às demais.
Por outro lado, o estudo acima mostrou que aproximadamente 30% do escoamento aquecido à alta temperatura ocorria longe das bobinas. Este conhecimento adquirido propiciou a criação de defletores de escoamento no interior do forno que tornaram esta bobina a mais privilegiada entre todas as outras.
A mesma técnica capacitou a criação de outros defletores que propiciaram o compatilhamento das demais bobinas com a intermediária, no recebimento de um fluxo térmico adicional diferenciado, tornando o aquecimento uniforme.
Ensaios experimentais realizados em fornos reais indicaram que o processo térmico com duração de 16 horas teve uma redução superior a 30% e consumo de nitrogênio em torno de 80%.
A aplicação de técnica equivalente ao caso particular de forno de carbonização irá direcionar os gases aquecidos para as áreas mais frias do forno, obtendo-‐se maior uniformidade do perfil térmico deste.
Estudos associados ao escoamento interno devem também aquinhoar os processos de transferência de calor pelas paredes e portas do forno. Estas últimas são responsáveis por parte substancial da perda de calor e projetos mais elaborados destas certamente conduzirão a fornos de maior eficiência térmica.
3.3. Chaminés
As chaminés utilizadas nos fornos de carbonização de madeira são representadas, de modo geral, pelo processo de exaustão de gases oriundos de câmara aquecida, contando com o modelamento de escoamento em CFD, o qual tem sido usado como uma ferramenta fundamental para o desenvolvimento de novas ideias e tecnologias avançadas, sendo capaz de prever informações quantitativas e qualitativas dentro da precisão e acurácia suficiente para justificar modificações em projetos de engenharia.
O trabalho realizado por Wang & Yan (2008) é apresentado na figura 4, onde foi estudado um processo de exaustão de produtos de combustão em alta temperatura, em escoamento devido à presença de um trocador de calor de tubos transversais ao fluxo de gases.
Figura 4 -‐ Distribuição de velocidades (m/s) de produtos de combustão devido a escoamento em trocador de calor e chaminé: (a) projeto original (b) sugestão de modificação.
trocador de calor
baixa velocidade de exaustão
alta velocidade de exaustão
diretor de escoamento
(a) (b)
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Este caso é aqui mostrado por causa do escoamento que acontece no duto de exaustão do mesmo, não sendo considerado o fenômeno de transferência de calor.
Este estudo utiliza a mesma metodologia aplicável a fornos de carbonização de madeira. O tratamento matemático em ambos os casos se equivalem, uma vez que a pilha de madeira deve ser modelada da mesma forma que um conjunto de tubos, como no caso do trocador mostrado. A figura 4 compara uma concepção original de um projeto de engenharia com a sugestão de modificação deste. Neste caso a modificação foi realizada colocando-‐se um diretor de escoamento convenientemente posicionado.
Um fato comum a partir de estudos de simulação computacional é que pequenas modificações geométricas, em se tratando de escoamentos de fluidos, pode conduzir a mudanças substanciais no rendimento do processo em questão.
O primeiro fato relevante deste trabalho é que a exaustão dos produtos de combustão para o primeiro caso pode não ser exatamente o esperado e com isso a adoção de uma solução adequada torna-‐se de maior dificuldade quando não se conhece a estrutura do escoamento reinante. Esta pode ser fornecida por complexos ensaios experimentais ou por simulações computacionais tridimensionais como apresentadas na figura 4.
O segundo fato relevante é que o conhecimento da estrutura do escoamento, com formação de vórtices e bloqueios, conduz à busca de soluções sob medida aos anseios do projeto, indicando inclusive o limite tecnológico a ser esperado. O uso de concepções a partir de tecnologias mais avançadas, associada à simulação computacional pode conduzir inclusive a inovações tecnológicas, agregando-‐se valor ao produto final.
3.4. Trocadores de Calor
A produção de carvão, por meio de técnicas modernas, está sendo implantada em praças de carbonização, possibilitando ganhos expressivos na produção de carvão vegetal. Dentre estas técnicas salientam-‐se a utilização de trocadores de calor para o resfriamento artificial do carvão contido em fornos DPC. O conhecimento da dinâmica do processo de resfriamento e do escoamento de gases associados, ao fluir no interior do leito de carvão é fundamental para orientar o citado ganho.
A transferência de energia térmica de um sistema para a vizinhança ou entre partes de um sistema é realizada utilizando-‐se trocadores de calor. Estes dispositivos são usados para transferir energia térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas, separados por uma superfície sólida de modo que não exista transferência de momentum, apenas troca térmica.
Esse processo de troca térmica é bastante utilizado e com muitas aplicações na engenharia. Dentre estas aplicações destacam-‐se o aquecimento e resfriamento de ambientes, operação de usinas de geração de energia, evaporação ou condensação de fluidos, recuperação ou rejeição de calor de um sistema térmico.
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A operação de sistemas térmicos de modo geral dissipa uma grande quantidade de calor, principalmente na fase de resfriamento correspondente. Os fornos de carbonização no processo DPC caracterizam-‐se pela necessidade de se resfriar a madeira carbonizada no interior da câmara. Com isso passa a existir um volume de gás aquecido a alta temperatura que deve ser tratado com relativo cuidado.
O dimensionamento e construção de sistemas de resfriamentos vem ocorrendo levando-‐se em conta basicamente a quantidade de calor que se deseja retirar dos fornos em um intervalo de tempo que justifique sua implantação. Nesta sistemática, alguns protótipos já foram testados. Certas configurações tiveram viabilidade técnica, porém não se viabilizaram do ponto de vista econômico e ambiental.
Como exemplo de trabalho realizado no Brasil, cita-‐se a pesquisa de Santos (2013) que consistiu de ensaios de carbonização de madeira e resfriamento dos gases de pirólise, sendo utilizado um protótipo de forno retangular de tijolo maciço com capacidade para 10 estéreos. Para tiragem e queima dos gases, o forno foi acoplado a um sistema de fornalha e chaminé, como mostra a figura 5.
Figura 5 -‐ Processo de transferência de calor gerado por um forno de carbonização para um fluido de trabalho e consequente resfriamento do ambiente interno da câmara.
Segundo Santos, em algumas configurações tem-‐se verificado equipamentos de resfriamento superdimensionados, devido principalmente à diferença de pressão que o mesmo oferece à estrutura interna dos fornos que é suficiente para possibilitar a infiltração de ar externo e consequentemente ocasionam aquecimento do sistema ao invés de resfriar a massa de carvão contida no forno.
As empresas produtoras de carvão vegetal vêm obtendo reduções de 40 a 50% no tempo total de resfriamentos dos fornos, ocasionando uma maior produtividade dos mesmos, ainda com sistemas superdimensionados. Por outro lado, tais empresas não constataram mudanças nos parâmetros de qualidade do carvão vegetal resfriado artificialmente. Para um melhor dimensionamento e configuração de solução para resfriamento de fornos, os parâmetros do carvão vegetal e comportamento dinâmico do escoamento presente devem ser considerados.
Os trocadores de calor tubulares, como mostrado na figura 5, são envolvidos por uma carcaça sendo também chamados de casco e tubo. O projeto de um trocador de calor tem início propondo-‐se um equipamento capaz de realizar a troca térmica requerida, sendo feita a verificação da área de troca térmica e a respectiva perda de carga.
trocador de calor por tubos
acoplamento do trocador
no forno
forno de carbonização
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Além dos gases aquecidos em seu interior deve-‐se considerar a inércia térmica da estrutura do forno, tendo como grande parcela o calor armazenado nas paredes de tijolo. Uma estrutura com baixa inércia térmica mantém mínima a variação da temperatura entre o interior e exterior. Já em sistemas com maior inércia térmica, as temperaturas das respectivas faces tendem a permanecer iguais às regiões as quais estão submetidas, podendo ocasionar uma grande variação de temperatura entre as superfícies.
A estrutura do forno recebe calor proveniente das reações termoquímicas que ocorrem na madeira na fase de carbonização. O sistema formado pelas paredes do forno e massa de carvão possui uma quantidade de energia armazenada e passa a ser dissipador de calor na fase de resfriamento. A característica de isolamento térmico das paredes do forno dificulta a transferência de calor do interior para o exterior da respectiva câmara, tornando-‐se necessário um processo adicional que permita o resfriamento dos gases em admissão de ar exterior para o interior do forno.
O estudo realizado por Santos (2013) contou com a simulação em CFD para concepção do trocador de calor, o qual apresenta um resultado equivalente ao obtido pela COMSOL que está representado na figura 6. Nesta visualização simulada pode-‐se conhecer em detalhe o trajeto realizado tanto pelo gás a ser aquecido quanto pelo gás a ser resfriado.
O conhecimento da intimidade deste processo físico propicia a melhor escolha de materiais e características geométricas capazes de propiciar a troca térmica de maior eficiência entre os respectivos fluidos de trabalho.
Os trabalhos de simulação de trocadores de calor como no presente caso conta também com a facilidade de se utilizar configurações de tubos aletados com as dimensões mais adequadas tanto para o processo de troca térmica quanto para a facilidade de fabricação destes dispositivos térmicos.
O estudo de engenharias assistido por simulação em CFD indica o desempenho dos processos de transferência de calor e massa, tanto do ponto de vista local, como global. Com isso pode-‐se determinar que pequenos detalhes podem causar grandes diferenças finais no desempenho de artefatos desta natureza.
Figura 6 -‐ Simulação do processo de transferência de calor em um trocador típico de aplicação em processo de carbonização da madeira.
gás a ser aquecido gás a ser resfriado
gás resfriado
gás aquecido
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A trajetória dos gases a serem aquecidos está intimamente ligada ao desempenho do trocador de calor, uma vez que a maior transferência de energia térmica associa-‐se ao fluxo de gás frio que escoa em torno dos tubos de gases quentes, forçando-‐se os gases frios a escoarem pelo meio poroso formado pelos tubos, aumenta-‐se a eficiência global do trocador.
A instalação de dispositivos internos poderá direcionar adequadamente este escoamento. Além das imagens associadas ao processo de visualização de escoamento por meio de linhas de corrente, como mostrado na figura 6, realizam-‐se cortes tomográficos nas mais diversas partes do trocador de calor, buscando o conhecimento da evolução da camada limite, fluxo térmico, perfis de velocidade associados, pressão, escoamentos secundários, como profundamente estudados por Çengel (2006), Liepmann (1957) e Schlichting (1979).
Estas informações são fornecidas tanto do ponto de vista qualitativo quanto quantitativo, permitindo-‐se a criação de tabelas de resultados e gráficos correspondentes, tornando-‐se uma metodologia a ser empregada em projeto de engenharia de grande valia na melhoria dos fornos de carbonização tanto do processo DPC quanto qualquer outro que requeira redução do tempo de resfriamento dos gases aquecidos.
4. SIMULAÇÃO DO PROCESSO DPC
No Brasil são utilizadas diversas concepções de fornos de carbonização. No entanto, existem empresas e operadores de carbonização da madeira que buscam a otimização do processo como um todo. Como exemplo desta iniciativa nacional, cita-‐se o caso da empresa DPC Tecnologia em Carvão Vegetal que desenvolveu um processo integrado aplicado a fornos retangulares de pirolise da madeira.
A figura 7 mostra um arranjo integrado destes fornos, onde a liberação de energia térmica de uma fase é transferida para outro forno, no qual a fase requer o aquecimento da respectiva câmara.
Figura 7 -‐ Instalação industrial integrada de fornos para secagem – pirólise – resfriamento para operação com otimização de eficiência energética na carbonização da madeira.
A figura 8a mostra como se processa a transferência de calor entre fases concomitantes do conjunto de fornos mostrados na figura 7. Os gases emitidos durante a etapa de pirólise da madeira, que se processa no forno 2 são queimados em
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uma câmara de combustão, gerando assim o fluido térmico de transferência de calor para secagem da madeira que esta sendo processada no forno 1. No forno 3 acontece o resfriamento do carvão vegetal, que fornece calor para o reator onde se processa a secagem.
Figura 8 -‐ Integração do processo de escoamento com transferência de calor: (a) câmara de processo DPC (b) escoamento em câmara e dutos de integração de processo térmico.
Findo o resfriamento no forno 3 este é descarregado, sendo em seguida alimentado com lenha verde. O forno 3 passa então a funcionar como reator de secagem. No forno 1 muda-‐se a natureza dos gases que infiltram a biomassa previamente seca, passando este então a funcionar como reator de pirólise, o forno 2 passa a funcionar como reator de resfriamento.
Um arranjo conveniente do escoamento entre fornos capacita o conjunto de 3 fornos trabalharem em nova configuração, sempre utilizando a liberação de calor de uma fase para a absorção de energia térmica em outra fase, constituindo-‐se assim de um processo integrado.
As principais características deste novo processo produtivo podem ser enumeradas segundo as seguintes vantagens:
• Utilização dos gases inflamáveis emitidos durante a pirólise como fonte de energia térmica necessária à carbonização da madeira;
• Utilização dos gases emitidos durante a pirólise como fluido térmico para a transferência de calor à madeira durante a fase endotérmica da pirólise;
• As etapas de secagem, pirólise e resfriamento do carvão vegetal se processam simultânea e independentemente em reatores nos quais a madeira previamente colocada permanece estática;
• O fato da madeira permanecer estática durante todo o processo minimiza-‐se a formação de finos;
• A carga sólida em cada reator é percolada por gases com temperatura adequada à etapa em operação; e
• Além de produzir carvão a partir de lenha com quaisquer dimensões, o processo permite ainda a utilização de diversos tipos de biomassa como matéria prima, desde resíduos de serrarias, de cana, de coco babaçu, capim elefante, etc.
(a)
(b) forno 1 forno 2 forno 3
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A figura 8b mostra um caso típico onde se simula o escoamento no interior de uma câmara na qual existe um meio poroso formado por um conjunto de obstáculos sólidos que permitem a percolação de gases no espaço criado entre as respectivas superfícies. Os dutos mostrados nesta figura enfatizam a capacidade de se simular os escoamentos de admissão e exaustão nesta câmara, os quais se interligam a componentes integrados ao sistema estudado.
O sistema desenvolvido pelo HZDR e mostrado na figura 8b representa, na realidade, um sistema de filtragem, transporte de fluido e transferência de calor característico de aeronaves e foguetes. A metodologia desenvolvida, para que estes dispositivos de aplicação aeroespacial possam operar utilizando artifícios de engenharia na fronteira do conhecimento, torna-‐se a mesma que poderá otimizar os escoamentos com transferência de calor entre fornos com integração de fases operacionais por meio de simulação em CFD.
Figura 9 -‐ Processo de transferência do calor gerado em um forno de carbonização de madeira: (a) fase de secagem (b) fase de pirolise.
A figura 9 mostra a ocorrência de duas fases em um processo integrado de aquecimento e pirólise da madeira, porém no interior dos fornos de modo análogo ao indicado na figura 8b. A escolha dos trajetos mais adequados dos gases quentes em ambas as fases, desde os dutos de aquecimento, como os dutos de transporte e pilha de madeira, irá designar o desempenho das referidas fases do processo DPC. A aplicação dos estudos realizados com simulação computacional em CFD associados a otimização deste processo interno à câmara do forno é mostrado na figura 10.
Figura 10 -‐ Simulação 3D de: (a) fluxo de massa (kg/m2s) de particulado de cinza depositado nas
vórtice
vórtice
região de maior deposição de cinza
(a)
(b)
(a)
(b)
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paredes de forno de queima de madeira após 1 hora de operação (b) reator turbulento.
A figura 10a mostra, segundo o trabalho apresentado pelo BIOS, como o escoamento no interior de uma câmara de queima de madeira causa deposição de cinzas em suas paredes criando variações no desempenho destes processos industriais. Esta mesma solução pode ser aplicada no processo de geração de gases aquecidos a altas temperaturas no processo DPC.
O escoamento em galerias de reatores turbulentos com formação de vórtices e áreas preferenciais de escoamento de gases aquecidos está indicado na simulação apresentada na figura 10b. A formação de vórtices e recirculações torna-‐se visível, indicando que o processo deve ser melhorado em partes e conjuntos deste artefato.
Do ponto de vista da simulação computacional, o escoamento com formação de vórtices e recirculação de gases está também presente na fase de resfriamento do carvão no processo DPC, como mostrado na figura 11.
Figura 11 -‐ Processo de transferência do calor gerado em um forno de carbonização de madeira: (a) fase de resfriamento (b) escoamento de gás em meio poroso.
Estes mesmos fenômenos ocorrem no escoamento de gases através de meios porosos. Embora o escoamento no interior do meio poroso, aqui simbolizado pelos pedaços de madeira a serem carbonizados, como mostram os trabalhos de Bear (1988) e Matyka (2013) por meio da figura 11b, apresente-‐se com características laminares, a redistribuição tanto interna à pilha de madeira, quanto externa a esta se dá com a formação de vórtices e recirculação de escoamento.
Além de buscar o aumento da produtividade de um processo industrial pela melhoria de desempenho, um fato muito comum na implantação de processos industriais é o aumento da produtividade por meio do aumento da dimensão dos equipamentos de modo a processar maior quantidade de material.
Quando se trabalha com escoamento de fluidos com transferência de calor, o escalonamento de processo baseado no aumento das dimensões de equipamentos nem sempre é verdadeiro, pois as medidas e cadência de produção nem sempre tem uma relação linear ou ainda, diretamente proporcional.
Para isso é fundamental o conhecimento de um processo em uma cadência de produção onde realiza-‐se a simulação computacional deste em CFD. De posse deste
(a)
(b)
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conhecimento completo, realiza-‐se a simulação do novo processo com as dimensões geométricas pretendidas e características operacionais almejadas.
Os resultados obtidos irão indicar se o escoamento de gases com transferência de calor associados irão propiciar o aumento de produtividade para a nova escala geométrica do equipamento em estudo. Caso isso não ocorra, a mesma simulação poderá indicar pontos a serem melhorados com as correções adequadas de configuração geométrica.
Um conjunto de correções mostrará se a solução de escalonamento propiciará o desempenho almejado, ou ainda, se serão necessárias a inserção de novas etapas no processo para que o mesmo atenda aos requisitos do cliente.
Esta metodologia está sendo empregada com sucesso, em particular, para fornos de fusão de metais, nos quais o padrão de escoamento de metais líquidos é susceptível às dimensões geométricas em função da inserção de trabalhos de eixo de impelidores convenientemente localizados.
5. INOVAÇÃO POR SPIN-‐OFF
A carbonização da madeira, embora seja uma técnica dominada a séculos, ainda poderá ser realizada por meio de processos industriais modernizados, sujeitos a incorporação de inovações tecnológicas, visto que o princípio ainda utilizado tem sido o mesmo desde a sua criação.
No Brasil alguns setores da economia desenvolveram-‐se mais do que outros, contando-‐se com áreas do conhecimento que encontram-‐se na fronteira do conhecimento, podendo gerar spin-‐off para setores como o carbonífero.
O termo spin-‐off refere-‐se ao uso de conhecimento ou tecnologia de um setor da economia mais avançado em aplicação a outros, de modo a produzir melhorias ou inovações tecnológicas nas mais diversas áreas da engenharia.
Segundo o Departamento de Defesa dos EUA, seletas tecnologias avançadas foram consideradas sensíveis para efeito de hegemonia nacional. Dentre estas tecnologias a obtenção de energia e a simulação em CFD ocupam parte substancial da atenção de especialistas, nos centros de pesquisa e desenvolvimento mais avançados daquele país.
A atenção às fontes de energia estão associadas à produção industrial de modo geral e à siderurgia e ao setor de óleo e gás em particular, visto a grande dependência destes insumos na vida moderna e para garantir os progressos tecnológicos que ainda estão por vir.
De modo geral, o spin-‐off de tecnologias avançadas como a aeronáutica, espacial e defesa conduzem a grandes progressos em outros setores, como os que tem sido experimentado pela humanidade nos últimos 100 anos.
De acordo com a Agência Espacial Europeia e NASA, a cada US$ 1,00 investido em tecnologia avançada, conduz a geração de US$ 4,75 nas mais variadas aplicações de mercado. Este comportamento poderá também ser observado na produção de carvão vegetal em fornos de carbonização com o uso de spin-‐off destas tecnologias avançadas.
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O uso de CFD, que é oriundo destas tecnologias, já tem revolucionado até mesmo os desenvolvimentos na fronteira do conhecimento. Para ilustrar este fato pode-‐se mencionar que uma aeronave Boeing 737 na década de 80 utilizava aproximadamente 70 modelos, para ensaios em túneis de vento para diferentes configurações de asa. Este procedimento era demorado e de custo elevado.
Atualmente, durante a fase de concepção do modelo para desenvolvimento de novos jatos, até de maior porte, realiza-‐se a simulação de um grande número de asas, sendo que apenas aquelas 5 que apresentam melhores resultados são ensaiadas em túnel de vento, conduzindo a um conhecimento prévio capaz de não apenas reduzir a quantidade, tempo e custo dos ensaios experimentais, como também contribuir para a redução do tempo de desenvolvimento e aumento do desempenho da referida aeronave.
Desta forma, sugere-‐se que o uso de spin-‐off aeroespacial em conjunto com modelamento matemático e simulação computacional capacitará a otimização de processos de escoamento com tranferência de calor associados à secagem, pirolise e resfriamento da madeira em fornos de carbonização segundo o processo DPC.
6. CONCLUSÃO
O presente trabalho indica que o processo de carbonização da madeira de modo geral e o DPC em particular, podem ser otimizados tanto do ponto de vista de integração das fases (aquecimento, pirolise e resfriamento) como da melhoria substancial do escoamento no interior de cada um dos componentes físicos que constituem o arranjo de fornos.
O uso de simulação de escoamento com transferência de calor por CFD torna-‐se uma ferramenta de grande valia na avaliação de concepções modernas possibilitando o desenvolvimento de equipamentos e processos industriais na fronteira do conhecimento.
Associado a esta ferramenta, o conhecimento de processos de escoamento com tranferência térmica para aplicação aeroespacial e militar propiciam soluções convenientes ao aumento do desempenho do transporte de calor e massa para uso específico em secagem, pirólise e resfriamento de madeira durante a execução do processo DPC.
Resultados já consagrados nestas pesquisas avançadas propiciam uma forma de partida de soluções que tornarão possíveis tais concepções em conjunto com as mencionadas simulações computacionais, possibilitando:
• A determinação das estruturas de turbulência e mistura de gases combustíveis e comburentes no processo de geração de produtos de combustão a alta temperatura com minimização de oxigênio para as fases endotérmicas do processo DPC;
• Obtenção de perfis térmicos que minimizam a estratificação térmica no interior da câmara de aquecimento do forno, considerando-‐se os efeitos de empuxo devido aos gradientes de densidade combinados com a aceleração da gravidade;
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• Configuração adequada de trocadores de calor para transferência de energia térmica entre fases concomitantes do processo DPC, gerando-‐se um circuito integrado de transporte de calor e massa;
• Arranjo adequado da pilha de madeira a ser instalada no interior da câmara do forno que propicie a percolação de gases de transferência térmica;
• Inserção de dutos e galerias em fornos para transporte de gases aquecidos de modo a otimizar o processo de transferência de calor no interior das respectivas câmaras;
• Colocação de aberturas de insuflamento e exaustão de gases na câmara de aquecimento das toras de madeira, tanto do ponto de vista dimensional, quanto quantidade e posição para que o processo de troca térmica ocorra de maneira homogênea, maximizando-‐se a secagem da madeira, minimizando-‐se a formação de tiço e o tempo de resfriamento do carvão; e
• Quando se tem um processo que é bem-‐sucedido em um tamanho de forno, ao aumentar-‐se as suas dimensões pode-‐se experimentar uma redução no respectivo desempenho. Esta correção pode ser feita por meio de simulação do processo em CFD favorecendo inclusive a criação de inovações tecnológicas.
Embora o processo de carbonização de madeira é conhecido de longa data, as técnicas na fronteira do conhecimento indicadas no presente trabalho poderão contribuir para que o processo DPC venha a ser operado com maior eficiência e nenhuma agressão ao meio-‐ambiente.
REFERÊNCIAS
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