Transferência de calor em leitos fluidizados: influência dos parâmetros da superfície de troca térmica

Abstract

Leitos fluidizados são equipamentos versáteis cujo número de aplicações experiencia um crescimento constante. Apesar disso, os fenômenos que ocorrem dentro destes equipamentos ainda não são perfeitamente compreendidos, sobretudo no que se refere à transferência de calor. A fluidodinâmica computacional tem desempenhado um importante papel na compreensão, design e scale up de operações de engenharia, porém para isso é preciso que se disponha de modelos computacionais confiáveis e validados frente a dados experimentais. Neste trabalho foram estudados vários parâmetros da simulação de leitos fluidizados, como modelo de arraste e coeficiente de especularidade, a fim de obter uma configuração que melhor descrevesse este processo. Após a conclusão desta etapa, o trabalho seguiu com o estudo de diferentes superfícies de troca térmica submersas no leito fluidizado, a fim de cumprir o objetivo proposto: verificar a influência dos parâmetros destas superfícies no fenômeno de transferência de calor entre leito e superfície. Para isso foi utilizado o software ANSYS® CFD (FLUENT®), com uma abordagem Euleriana-Euleriana, que descreve ambas as fases como fluidos interpenetrantes, sendo que as propriedades da fase particulada foram descritas através da teoria cinética dos escoamentos granulares. O leito fluidizado simulado foi baseado no trabalho experimental de Di Natale, Lancia e Nigro (2007) e utilizava ar como fase gasosa e partículas de vidro, classe B de Geldart (1973) como fase particulada. Os resultados de Di Natale, Lancia e Nigro (2007) foram utilizados para validação. Todas as simulações foram realizadas num domínio bidimensional, utilizando axissimetria. Após vários testes definiu-se que o modelo que melhor representa os dados experimentais utiliza o modelo de Gidaspow (1986) para o arraste, coeficiente de especularidade igual a 0,1 e modelo ? - e disperso para turbulência. Após validação do modelo foram construídas diferentes geometrias, com diversas superfícies de troca térmica, incluindo diferentes cilindros, uma esfera e um cone. O aumento das dimensões do cilindro, principalmente do diâmetro, gerou uma diminuição do coeficiente de transferência de calor. A superfície esférica produziu o maior valor de coeficiente de transferência de calor, o que está de acordo com o trabalho experimental de Di Natale, Lancia e Nigro (2007). Outras velocidades de entrada do gás foram testadas, porém o modelo falhou em descrever o comportamento fluidodinâmico a uma velocidade mais baixa, provando a importância de se verificar para quais condições um modelo se aplica, antes de usá-lo indiscriminadamente.