As análises termofluidodinâmicas nos processos industriais

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É comum observar em operações industriais situações onde podem ocorrer troca de massa e calor entre duas ou mais fases. Esses processos, muitas vezes multifásicos permeiam diferentes setores, como: siderurgia, automotivo, indústria alimentícia, aeroespacial e muitos outros. Atualmente, é impossível ignorar os benefícios de se entender esses fenômenos e obter o melhor proveito dos processos em prol da redução de custos e aumento de produtividade. 

Para uma correta interpretação, algumas áreas de estudo são necessárias para o entendimento desses processos, como, por exemplo, os conhecimentos em termodinâmica, cinética química, meios porosos, transferência de calor e mecânica dos fluidos. O domínio dos conceitos envolvidos faz-se necessário para o desenvolvimento de projetos e otimização em operações industriais complexas, provendo a compreensão mandatória acerca dos fenômenos de transporte. A utilização correta das disciplinas é primordial para que processos que envolvam calor e fluidos possam desempenhar conforme requerido em projeto, sem quebras de produção e qualidade do produto envolvido. 

Além das aplicações industriais, fluidos como a água e o ar são essenciais para o dia a dia e a vida no planeta. Pode-se observar no cotidiano os efeitos desses conceitos de Engenharia quando se observa, por exemplo: a refrigeração em equipamentos que geram calor e nos alimentos; o conforto térmico proporcionado pelo ar condicionado; o processamento de alimentos em fornos; o efeito da aerodinâmica no desempenho e consumo de automóveis e aviões.

O que é Termofluidodinâmica?

Termofluidodinâmica é uma área da ciência responsável pelo desenvolvimento de estudos, tanto teóricos quanto experimentais, voltados ao comportamento dinâmico de fluidos e aos fenômenos associados à transferência de calor e transporte de massa. 

A Termofluidodinâmica estuda processos monofásicos e multifásicos e pode se relacionar com fenômenos específicos, como combustão e radiação térmica. 

A combustão é uma reação química exotérmica e irreversível que ocorre entre dois ou mais reagentes, sendo necessária a presença de combustível e comburente. A radiação térmica, por sua vez, se caracteriza pela emissão e propagação de energia por meio de ondas eletromagnéticas.

Na indústria existem diversos equipamentos e/ou estruturas que contemplam os fenômenos de transferência de calor e massa entre diferentes fases, podendo conter ou não a presença de reação química. Como exemplo, podem ser citados fornos, aquecedores, secadores, filtro de mangas, canais de captação e sedimentação. 

A evolução operacional e conceitual desses equipamentos, nas últimas décadas, tem sido propulsionada pelo desenvolvimento dos métodos numéricos. A combinação de estudos de termofluidodinâmica com a aplicação desses métodos em simulações de processos multifásicos, permitiu o progresso de uma área muito popular na engenharia, a Fluidodinâmica Computacional.

Fluidodinâmica Computacional, Dinâmica dos Fluidos Computacional ou CFD (do inglês Computational Fluid Dynamics), possibilita a criação de modelos para análises e estudos através da simulação numérica de escoamentos de fluidos, transferência de calor e fenômenos relacionados. 

Figura 1 – Simulação bidimensional de escoamento de frente livre no problema de quebra de dique (Crédito a COPPE UFRJ)

Quais as aplicações e benefícios da Termofluidodinâmica?

A Termofluidodinâmica é amplamente utilizada em diferentes segmentos de mercado e auxilia em projetos e na fabricação de centenas de produtos. Sua aplicação se estende da produção de aviões a automóveis, navios, bem como os mais diversos tipos de equipamentos industriais. 

Entre as principais aplicações da fluidodinâmica, vale destacar sua utilidade: 

  • na indústria do petróleo,
  • na siderurgia,
  • na indústria alimentícia,
  • na mineração,
  • em testes de projetos de sistemas propulsivos e de geração de energia em geral,
  • na refrigeração de equipamentos, 
  • nas análises aerodinâmicas e aerotermodinâmicas de veículos aeroespaciais e veículos terrestres (trens, caminhões, carros).

A termofluidodinâmica contribui, também, em questões ambientais auxiliando no planejamento e gestão de recursos hídricos (análise e simulação de lançamento de poluentes e contaminantes) e nos estudos de caracterização de dispersão de gases. 

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Rafael Brasil

Engenheiro Mecânico/Aeronáutico pela UFMG e pós-graduado em Engenharia de Estruturas pela mesma universidade. Teve a oportunidade de atuar na European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), na Alemanha. Atualmente é Diretor de Desenvolvimento na KOT Engenharia, liderando dezenas de projetos relacionados à Integridade Estrutural de ativos e equipamentos.

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