Com o avanço do poder computacional ao longo dos anos, uma nova metodologia para solução de problemas de engenharia surgiu. Mais conhecido como CFD, o Computational Fluid Dynamics é uma poderosa ferramenta responsável pelo auxílio na resolução de inúmeros desafios das disciplinas de mecânica dos fluidos e transferência de calor. Este artigo mostra detalhadamente o trabalho realizado pela equipe da Kot no estudo de um capuz móvel de um sistema de despoeiramento de um convertedor, por meio da análise CFD.

Introdução

Uma companhia siderúrgica visava realizar alterações na geometria do capuz móvel do sistema de despoeiramento do convertedor. Antes de implementar a modificação, a empresa solicitou o estudo comparativo entre as construções do ativo para agir com maior assertividade.

O equipamento em questão é composto por conjuntos de tubulações com fluxo interno de água para refrigeração dos gases provenientes do convertedor. Por meio do CFD, o estudo avaliou o comportamento do resfriamento e distribuição da temperatura na parede dos objetos e no interior do circuito de tubos pelo fluxo de água.

Modelagem da estrutura

A nova geometria proposta foi modelada em volumes finitos, por meio de software específico. Como os conjuntos de tubulação propostos apresentam simetria entre si, foram elaborados 2 conjuntos, já que estes são suficientes para a simulação. Além de apresentar desempenho satisfatório, isso também reduz os custos necessários para o processamento computacional da análise. 

O conjunto central foi modelado de forma completa e uma metade de outro grupo em cada uma das extremidades, assim foi possível alcançar a simetria na distribuição de temperatura na estrutura. Para facilitar a visualização, observe  a Figura 1 que ilustra  o modelo de um dos conjuntos produzidos. 

Condições de contorno

Algumas das condições de contorno consideradas na análise estão representadas nas Figuras 2 e 3.

Além das apresentadas, outras condições de contorno como a convecção da água, convecção e radiação do gás e do ar do ambiente, região de contato das estruturas, entre outras também foram consideradas.

Resultados

As análises CFD realizadas possibilitaram verificar a distribuição de temperatura ao longo da estrutura do capuz móvel, conforme mostrado na Figura 4, e nos três fluidos: gás do convertedor, fluido de refrigeração e ar ambiente. Além disso, foi obtida a distribuição de pressão do fluido de refrigeração ao longo da tubulação.

Os valores médios de temperatura encontrados nos tubos do capuz móvel e na água de refrigeração podem ser vistos  na Figura 5.

Após a análise dos resultados, verificou-se que existia uma tendência de aumento das temperaturas após a alteração no capuz móvel. Esse fato poderia acarretar a piora das condições operacionais da estrutura. Tendo isso em vista, foi proposto o aumento da vazão total do sistema de refrigeração e as simulações foram realizadas mais uma vez com essa nova condição.

Os resultados da geometria inicial e da nova proposta, com e sem aumento da vazão, podem ser encontrados na Tabela 1. Com estas informações apresentadas foi possível comparar os valores para a verificação dos desempenhos.

Parâmetro	Geometria inicial	Geometria proposta	Geometria proposta com vazão alterada
Transferência de calor do gás convertedor para o capuz móvel	7849,0 kW	7960,0 kW	7975,8 kW
Maior temperatura na estrutura	143,3 °C	149,6 °C	147,3 °C
Menor temperatura na estrutura	112,8 °C	114,0 °C	111,7 °C
Temperatura de entrada da água	110,0 °C	110,0 °C	110,0 °C
Temperatura de saída da água	123,5 °C	123,6 °C	116,9 °C

Outro aspecto importante da análise do conjunto de tubulação com a nova geometria é a capacidade do tubo distribuidor de fornecer vazões semelhantes entre todos os conjuntos que compõem o capuz móvel. Lembrando que a vazão é diretamente proporcional à velocidade, a Figura 6 mostra os resultados obtidos das velocidades ao longo do tubo distribuidor.

Notou-se que as maiores vazões estão nas regiões próximas às entradas de água de refrigeração. Esta variação da vazão nos diferentes conjuntos da tubulação indica que são encontrados conjuntos com gradientes térmicos diferentes. Entretanto, essa situação é amenizada, pois a variação da razão é pequena e, portanto, não apresenta riscos para a estrutura do capuz móvel.

Conclusão

Para buscar a otimização operacional e potencializar o desempenho dos ativos é fundamental que as modificações propostas sejam validadas a partir de dados confiáveis baseados em estudos técnicos. Embora a alteração de uma condição possa contribuir para a melhoria do sistema, é preciso ter uma visão holística dele, compreendendo a interdependência entre as variáveis que afetam o desempenho operacional. Tal condição ficou evidenciada na melhoria do capuz móvel que mesmo após a adoção de uma nova geometria precisou passar por ajustes nas condições operacionais do sistema.

O domínio das ferramentas computacionais deve sempre estar alinhado com o conhecimento dos engenheiros sobre a natureza e funcionamento dos equipamentos em sua aplicação prática. A Kot conta com profissionais capacitados para entender e avaliar as melhores soluções para os desafios de engenharia presentes no dia a dia da indústria. Consulte nossa equipe para maiores informações.

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Referências:

[1] Acervo Kot Engenharia.