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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30501| Título: | Simulação da transferência tridimensional de massa e calor empregando o método dos volumes finitos |
| Título(s) alternativo(s): | Simulation of three-dimensional mass and heat transfer using finite volumes method |
| Autor(es): | Wisbiski, Eduardo Augusto Buss |
| Orientador(es): | Matos, Everton Moraes |
| Palavras-chave: | Calor - Transmissão Massa - Transferência Industria de celulose MATLAB (Programa de computador) Simulação (Computadores) Heat - Transmission Mass transfer Cellulose industry MATLAB (Computer program) Computer simulation |
| Data do documento: | 9-Jun-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Ponta Grossa |
| Citação: | WISBISKI, Eduardo Augusto Buss. Simulação da transferência tridimensional de massa e calor empregando o método dos volumes finitos. 2022. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2022. |
| Resumo: | Atualmente, a simulação de fenômenos físicos tem grande relevância para a engenharia. Ela permite prever o comportamento de sistemas e processos, sem as limitações que a experimentação real pode proporcionar. Alguns fenômenos, como transferência de massa e calor, se beneficiam grandemente da simulação em ambiente virtual, trazendo assertividade e confiabilidade às respostas obtidas no programa. Esses fenômenos se manifestam na natureza e em inúmeras operações industriais, tais como combustão, refrigeração, secagem, cozimento, entre muitos outros. Uma aplicação simultânea dessas transferências na escala industrial é verificada durante a extração da celulose a partir da madeira. Nesse processamento há uma etapa de cozimento de pequenos paralelepípedos de madeira em solução alcalina. Após tempo suficiente nesse estágio, ocorre a dissolução dos componentes da madeira nos demais produtos químicos utilizados, formando uma pasta ou polpa semissólida. Esse produto é então, convertido em papel, amplamente versátil e empregado inclusive na produção de embalagens. A relevância desse setor para o Brasil é acentuada, visto que o país ocupa o segundo lugar no ranking mundial dos produtores de celulose, atrás apenas dos Estados Unidos. Esse fato, combinado com a ocorrência dos fenômenos de transporte citados em seu processo, justifica a relevância de pesquisas nesse tema. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho foi prever o campo de concentração de água e de temperatura em um cubo de madeira durante seu cozimento, modelando condições utilizadas na extração da celulose. Fez-se também a determinação do número ótimo de volumes para a simulação, equilibrando máxima precisão de resposta com o esforço computacional apropriado. Utilizou-se como ferramenta numérica o método dos volumes finitos, criando algoritmo de resolução implementado no software MATLAB [marca registrada], em sua versão R2021b, Update 2. Avaliou-se o perfil de temperatura e de concentração em todos os volumes e a cada instante de tempo, sendo os resultados coerentes com alcance mais rápido do equilíbrio para as regiões mais externas do corpo de madeira, e mais lento para os mais interiores. Em relação ao teste de independência de malha, foi necessário 4,0 horas de simulação para o equilíbrio do sistema com transferências em uma dimensão, sendo 24 o número ideal de volumes. Já para o sistema bidimensional, 1,7 horas de simulação foram necessárias, sendo 576 o melhor número de volumes. Por fim, para o sistema tridimensional, 1,2 horas foram requeridas, sendo 216 volumes a resposta do teste de independência de malha. Considera-se que os dados de simulação são coerentes quando comparados com valores de literatura para a experimentação laboratorial. Como pesquisas futuras, sugere-se avaliação de demais componentes químicos presentes na transferência de massa (hidróxido de sódio e sulfito de sódio), além da água (umidade), que foi objeto de estudo desse trabalho. |
| Abstract: | Currently, the simulation of physical phenomena has great relevance for engineering. It allows predicting the behavior of systems and processes, without the limitations that real experimentation can provide. Some phenomena, such as mass and heat transfer, are greatly benefited from the simulation in a virtual environment, bringing assertiveness and reliability to the responses obtained in the program. These phenomena are manifested in nature and in numerous industrial operations, such as combustion, refrigeration, drying, cooking, among many others. A simultaneous application of these transfers on an industrial scale is verified during the extraction of cellulose from wood. In this process, there is a step of cooking small wood chip in an alkaline solution. After sufficient time at this stage, the wood components dissolve in the other chemical products used, forming a semi-solid pulp. This product is then converted into paper, which is widely versatile and even used in the production of packaging. The relevance of this sector for Brazil is accentuated, since the country occupies the second place in the world ranking of pulp producers, behind only the United States. This fact, combined with the occurrence of the transport phenomena mentioned in its process, justifies the relevance of research on this topic. In this sense, the objective of the present work was to predict the concentration field of water and temperature in a wooden cube during its cooking, modeling conditions used in the extraction of cellulose. The optimal number of volumes for the simulation was also determined, balancing maximum response precision with the appropriate computational effort. The finite volume method was used as a numerical tool, creating a resolution algorithm implemented in the MATLAB [trade mark] software, in its R2021b, Update 2 version. It is considered that the results were consistent, with faster reaching of equilibrium for the outermost regions of the wooden body, and slower for the innermost regions. Regarding the mesh independence test, it took 4.0 hours of simulation to balance the system with transfers in one dimension, with 24 being the ideal number of volumes. For the two-dimensional system, 1.7 hours of simulation were needed, with 576 being the best number of volumes. Finally, for the three-dimensional system, 1.2 hours were required, with 216 volumes being the mesh independence test response. It is considered that the simulation data are coherent when compared with literature values for laboratory experimentation. As future research, we suggest the evaluation of other chemical components present in the mass transfer (sodium hydroxide and sodium sulfite), in addition to water (moisture), which was the object of study of this work. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30501 |
| Aparece nas coleções: | PG - Engenharia Química |
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