Desenvolvimento de um equipamento misturador de correntes térmicas de gases: controle e automação com análise de modelagem e simulação

Abstract

O trabalho exposto teve por objetivo a recuperação de energia térmica de gases, realizado por meio de um equipamento recuperador de calor que pode ser uma alternativa na redução do consumo de combustíveis nas indústrias, o que torna possível utilizar a energia perdida em chaminés, fornos ou equipamentos aquecidos. Esta demanda originar-se dos apelos econômico e de responsabilidade ambiental, tão em evidência na atualidade. O projeto do equipamento, que seguiu as linhas experimental e de modelagem e simulação para a concepção de um protótipo misturador estático que seja capaz de padronizar uma corrente térmica de gases e permitir a sua utilização no processo. O misturador foi construído sob a forma de um cilindro com duas entradas em uma das extremidades, uma de ar aquecido e outra de ar a temperatura ambiente e com a saída disposta de forma concêntrica no lado oposto do cilindro. Utiliza-se no misturador estático elementos defletores para a promoção da mistura, norteados pelo conceito Kenics. Em paralelo e com a função de auxílio no projeto inicial do protótipo, desenvolveu-se um modelo para a simulação da fluidodinâmica computacional (CFD) no software COMSOL Multiphysics®. Com isso, foi possível predizer o perfil de velocidades e temperaturas no misturador com a finalidade de avaliar a qualidade da mistura pelo estudo das curvas de isovalores de temperaturas no modelo. O escoamento compressível, ajustado para escoamento laminar transiente ou turbulento estacionário, no misturador foi descrito pela equação da continuidade, de Navier Stokes da quantidade de movimento e da equação da conservação da energia. Os escoamentos turbulentos são preditos pelos modelos de turbulência k-e e a transferência de calor no isolamento por meio das equações de Brinkman. O protótipo foi submetido a uma vasta gama de experimentos para observar seu comportamento sob os aspectos de variação da vazão da corrente fria (uf), variação da vazão da corrente quente (uq), variação da temperatura da corrente quente (Tq), variação da temperatura de saída com perturbações na entrada e, finalmente, atuação dos sistemas de controle frente às perturbações. O sistema mostra-se com elevada inercia térmica, dado que, demora cerca de 3 horas para estabilizar as temperaturas. Desenvolveram-se duas malhas de controle: cascata com controlador PID em feedback atuando apenas na corrente fria e Split Range Control, atuando nas duas entradas. O impacto do projeto é elevado mas difícil de quantificar pois depende da implementação em cada sistema industrial e pode efetivamente minimizar o consumo de combustíveis, bem como reduzir os custos operacionais e a inconveniência da poluição ambiental. A capacidade para recuperação de energia térmica ficou acima de 87,3% para o equipamento operado em regime de escoamento turbulento e acima de 66,3 % para o regime laminar. Por fim, tem-se claro que todo o projeto do misturador, sistema de controle aplicado ao protótipo e análise da fenomenologia interna do novo equipamento, são inéditos, o que assinala a contribuição desta tese, aliada a um resultado muito promissor de recuperação de energia térmica.

Abstract: The exposed work aimed at recovering thermal energy from gases, carried out using heat recovery equipment that can be an alternative in reducing fuel consumption in industries, which makes it possible to use the energy lost in chimneys, ovens or heated equipment. This demand originates from the economic calls and environmental responsibility, as evident today. The design of the equipment, that followed the experimental and modeling and simulation lines for the design of a static mixer prototype that is capable of standardizing a thermal gas stream and allowing its use in the process. The mixer was built in the form of a cylinder with two inlets at one end, one for heated air and the other for air at room temperature and with the outlet arranged concentric on the opposite side of the cylinder. Deflecting elements are used in the static mixer to promote mixing, guided by the Kenics concept. In parallel and with the function of assisting in the initial design of the prototype, a model for the computational fluid dynamics (CFD) simulation was developed using the COMSOL Multiphysics® software. With this, it was possible to predict the speed and temperature profile in the mixer in order to evaluate the quality of the mixture by studying the temperature isovalue curves in the model. The compressible flow, adjusted for transient or stationary turbulent laminar flow, in the mixer was described by the Navier Stokes continuity equation of the amount of movement and the energy conservation equation. Turbulent flows are predicted by the k-e turbulence models and the heat transfer in the insulation using Brinkman's equations. The prototype was subjected to a wide range of experiments to observe its behavior under the aspects of variation of the flow of the cold current (uf), variation of the flow of the hot current (uq), variation of the temperature of the hot current (Tq), variation of the outlet temperature with disturbances at the entrance and, finally, the performance of the control systems in the face of the disturbances. The system shows high thermal inertia, since it takes about 3 hours to stabilize temperatures. Two control loops were developed: cascade with PID controller in feedback acting only in cold current and Split Range Control, acting in both inputs. The impact of the project is high, but difficult to quantify as it depends on the implementation in each industrial system and can effectively minimize fuel consumption, as well as reduce operating costs and the inconvenience of environmental pollution. The thermal energy recovery capacity was above 87.3% for the equipment operated in turbulent flow regime and above 66.3% for the laminar regime. Finally, it is clear that the entire design of the mixer, control system applied to the prototype and analysis of the internal phenomenology of the new equipment, are unpublished, which highlights the contribution of this thesis, combined with a very promising result of energy recovery thermal.