Abstract:
Pesquisas envolvendo leitos fluidizados têm tido um papel essencial na engenharia, pois vêm facilitando a compreensão da interação física entre as fases de forma mais sistemática. A análise do modelo hidrodinâmico junto ao mecanismo de troca térmica entre uma fase gasosa e outra particulada e um tema pouco ainda discutido no literatura, por conta da sua complexidade de solução, principalmente se o objetivo da investigação for estudar a transferência de calor entre o interior da partícula e a outra fase presente no leito. Identificar e controlar a troca de calor no interior da partícula geraria benefícios a diversas áreas industriais como por exemplo, possibilitaria uma maior vida útil do alimento na industria alimentícia, geraria maior produção de combustível na indústria petrolífera e melhoraria o encapsulamento na industria farmacêutica.Diante disso, o objetivo deste trabalho foi desenvolver uma solução computacional capaz de demonstrar a troca de calor no interior da partícula por meio da simulação numérica, em que seja possível estudar os particulados de geometria esférica em leito fluidizado circulante. Primeiramente, foi realizada a discretização do problema para o caso de um modelo unidimensional (plug flow), onde as fases são modeladas como Eulerianas, e o método numérico de Gauss-Seidel para sistema não-linear e aplicado a resolução do sistema algébrico de equações resultante da discretização. Afim de garantir a confiabilidade do trabalho, o modelo hidrodinâmico foi verificado com a solução numérica de outros estudos, resultando em valores aceitáveis e coerentes com o tema abordado. Dos resultados obtidos, foram realizadas três simulações, diferindo apenaso diâmetro da partícula. Em relação a troca térmica entre o gás e a partícula solida, atemperatura do solido decresce enquanto que a do gás aumenta que ambas atingem o equilíbrio térmico, i.e., estejam na mesma temperatura. Com o aumento do tamanho da partícula, as temperaturas das fases tendem a percorrer um maior caminho no leito fluidizado até atingir o equilibro térmico. Em relação aos resultados da temperatura interna da partícula, notou-se um crescimento da diferença percentual quando comparada com a temperatura de superfície, atingindo os valores máximos de 1,55% para um diâmetro de 320 m, 1,60% para 420 m e 1,83% para 520 m. Portanto, com esse estudo, é possível notar as vantagens de se controlar o comportamento térmico no interior da partícula, possibilitando assim aumentar a eficiência do processo em leitos fluidizados.
Researches involving fluidized beds have played an essential role in engineering, since they have facilitated the understanding of the physical interaction between the phases in a more systematic way. The analysis and control of hydrodynamics together with the thermal exchange mechanism between gas and particulate phases is not frequently discussed in literature, mostly due to its solution complexity, especially if the investigation objective is to study the heat transfer between the particle interior and the gas phase. To Identify and control heat exchange inside the particle would benet several industrial areas, for example, it would allow a longer food life in the food industry, generate greater fuel production in the oil and gas industry, and improve the encapsulation in the pharmaceutical industry. Therefore, the aim of this work is to develop a computational solution capable of demonstrating the heat exchange inside the particle by means of a numerical simulation in which it is possible to study spherical particles thermal behavior within a fluidized bed. First, discretization of the problem was performed in a one-dimensional plug flow model and an Eulerian-Eulerian formulation is applied to thegas-solid two phase flow. Gauss-Seidel numerical method for non-linear systems is applied to solve the resulting algebraic system of equation. In order to guarantee the reliability of the work, the hydrodynamic model was veried with the numerical solution of other studies, resulting in acceptable values consistent with the addressed topic. From obtained results, three simulations were performed, diering only the particle diameter. In relation to the thermal exchange between gas and solid particle, solid temperature decreases while gas temperature increases until a point where thermal equilibrium is reached, i.e. both temperatures are equal. As the particle geometry increases, the phase temperatures tend to travel a greater path in the fluidized bed until thermal equilibrium is reached. In relation to the internal temperature of the particle, an increase of the percentage dierence was observed when compared to the surface temperature, reaching the maximum values of 1,55% for a diameter of 320 m, 1,60% for 420 m and 1,83% to 520 m. Therefore, with this study, it is possible to note the advantages of controlling the thermal behavior inside the particle, thus making it possible to increase the eficiency of the process in fluidized beds.
