Estudo da secagem e do consumo de gás natural em uma rama têxtil de aquecimento direto

Abstract

A rama é um equipamento empregado na etapa de beneficiamento de tecidos que tem basicamente as funções de termofixação de acabamentos, de estabilização dimensional e de secagem. O gás natural é utilizado em ramas de aquecimento direto e os secadores tem um elevado consumo de energia por causa da grande quantidade de água removida por evaporação. Medidas que visam melhorar o desempenho desses equipamentos são fundamentais para uma produção mais eficiente. O estudo da secagem de um tecido em uma rama de aquecimento direto utilizando a modelagem matemática e a simulação mostra-se como um ótimo recurso para avaliar o desempenho desse secador operando em diferentes condições. Modelos fenomenológicos de transferência de calor e de massa em meio poroso foram considerados e validados baseando-se na comparação entre os resultados obtidos das simulações e aqueles observados em um processo real. O método dos elementos finitos foi o procedimento numérico adotado para resolução do sistema de equações diferenciais parciais. Quatro estudos de caso foram realizados: no estudo de caso 1 os coeficientes convectivos de transporte de calor e massa foram estimados; o impacto das condições ambientes locais no desempenho da rama foi estudado para a estação quente (no estudo de caso 2) e a estação fria (no estudo de caso 3) do ano; no estudo de caso 4, o reaproveitamento do calor de exaustão por meio do pré-aquecimento do tecido e do ar de secagem foi avaliado como um método para redução do consumo de combustível. O modelo de isoterma de Henderson-Thompson foi utilizado para representar o equilíbrio higroscópico do tecido de algodão e também para determinar o calor isostérico desse material. Os perfis de umidade e de temperatura foram obtidos ao longo do tecido dentro da rama e constatou-se que os modelos representaram o processo real satisfatoriamente. Verificou-se que a operação da rama na estação fria eleva o consumo de gás natural em 5,3 % e que o pré-aquecimento do tecido e também do próprio ar de secagem, reduz o consumo do combustível numa faixa de 19 % a 64 %, dependendo da razão de reciclo. A partir do estudo realizado, concluiu-se que as ramas têxteis são sensíveis às condições do ar ambiente e que procedimentos de recuperação de calor das correntes de exaustão para o pré-aquecimento do ar de secagem e do tecido podem determinar grande economia e assim, o uso mais eficiente dos recursos energéticos. <br>

Abstract : The stenter is a machine used in the finishing stage of fabric manufacturing that has the functions of heat setting, drying and providing width control. Natural gas is the fuel used in direct heating systems and these dryers have considerable energy consumption because of the large quantity of water removed by evaporation. In order to achieve energy efficiency, it's essential that process improvements be studied.Mathematical modeling and simulation are great tools to study the fabric drying inside the stenter and to evaluate its performance at different operating conditions.Heat and mass transfer in porous media models were considered and validated based on the comparison between the results obtained in the simulations and observations made in the real process. The finite element method was the numerical procedure adopted for solving the system of partial differential equations. Four case studies were accomplished: the convective heat and mass transfer coefficients were estimated in the case study 1;the effect of ambient conditions on the machine performance was studied for a warm season (in the case study 2) and a cold season (in case study 3); an evaluation of the use of exhaust air to preheat the fabric and the drying medium was done in the case study 4 to predict the effect of heat recovery in the fuel consumption.The Henderson-Thompson model was used to represent the equilibrium moisture of the cotton fabric and also to calculate its isosteric heat.The moisture and temperature profiles were calculated along the fabric inside the stenter and it was found that the models represented the real process adequately.It was found that operating the stenter in cold ambient air increases natural gas consumption by 5.3 % and that the recovery of exhaust heat to preheat the fabric and the drying medium reduces fuel consumption from 19 % to 64 %, depending on the recycle ratio. From this study, it was concluded that textile stenters are sensitive to ambient air conditions and that exhaust heat recovery systems provide a significant reduction of natural gas consumption.