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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo da dinâmica de partículas em tambor rotatório com suspensores: análise experimental e numérica utilizando abordagens euleriana e lagrangeana
Alternate title (s): Particles dynamics study in flighted rotating drum: experimental and numerical analysis using lagrangian and eulerian approaches
Author: Nascimento, Suellen Mendonça
First Advisor: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Second Counselor: Duarte, Claudio Roberto
First member of the Committee: Pereira, Marina Seixas
Second member of the Committee: Pivello, Marcio Ricardo
Third member of the Committee: Santos, Kássia Gracielle dos
Fourth member of the Committee: Santos, Dyrney Araújo dos
Summary: Na secagem de material granular ou particulado, os secadores rotatórios são os equipamentos mais utilizados, devido a sua alta capacidade de processamento e versatilidade de operação quando comparados com outros tipos de secadores. No entanto, o projeto desses equipamentos é bastante complexo, uma vez que a secagem envolve, além de transferências de calor e massa, complexos processos fluidodinâmicos. Por isso, geralmente utilizam-se tambores rotatórios com suspensores, mas sem a alimentação do ar de secagem, para o estudo da dinâmica de material particulado nesses secadores. Quando o tambor está com a configuração de carregamento ideal, há a maior interação entre o material particulado e o ar em escoamento, o que é interessante em um caso de secagem. Com base nisso, neste trabalho foi construído um tambor rotatório com número de suspensores variáveis, apresentando como objetivo o estudo do tambor rotatório na condição de carregamento ideal. Desta maneira, foram estudadas aplicações de modelos geométricos para a predição desta condição e determinou-se, experimentalmente, a velocidade de rotação ideal do tambor para diferentes condições operacionais do equipamento. Através deste estudo foi determinado um modelo para a predição do Número de Froude ideal em função da fração de enchimento do tambor, número de suspensores e propriedades do material, como densidade, ângulo de repouso estático e coeficiente dinâmico de fricção do material. Além destes, foram realizados estudos referentes ao ângulo de última descarga, avaliando os efeitos das condições operacionais na descarga de sólidos no tambor. Como uma ferramenta complementar aos estudos experimentais, as simulações numéricas surgem no auxílio à compreensão do escoamento dos materiais granulares. No que diz respeito à abordagem numérica, duas diferentes aproximações para a previsão do escoamento granular no interior do tambor com suspensores foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. No desenvolvimento de uma modelagem Euleriana que representa o escoamento de interesse, utilizando a Fluidodinâmica Computacional (CFD), foi possível então, determinar as condições de contorno e encontrar o melhor modelo para que a abordagem Euleriana reproduzisse os resultados experimentais, em que a aplicação do modelo de turbulência k-ɛ se mostrou essencial na descrição da dinâmica das partículas. Já nas simulações que utilizam a abordagem Lagrangeana, através do Método dos Elementos Discretos (DEM), foram investigados parâmetros relativos às propriedades das partículas, como Razão de Poisson e Módulo de Cisalhamento, além das interações partícula-partícula e partícula-parede através dos coeficientes de restituição e de atritos estáticos e de rolamento. Neste trabalho, encontrou-se um conjunto de parâmetros para que a simulação conseguisse representar bem os dados experimentais. Além disso, observou-se que o uso de um módulo de cisalhamento menor do que o real para diminuição do custo computacional foi uma suposição válida, principalmente para velocidades de rotação mais baixas. Comparando as duas metodologias, foi possível encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma delas. A abordagem lagrangeana permitiu observar individualmente cada partícula, sendo possível a determinação do comprimento de queda das partículas do suspensor. No entanto, com a mudança de condições operacionais, como o número de suspensores do tambor, os resultados apresentados pela abordagem Euleriana foram melhores.
Abstract: Rotary dryers are the most commonly used equipment in the granular or particulate material drying, because of their high processing capacity and versatility of operation when compared to other types of dryers. However, the design of these equipment is quite complex, since it involves, in addition to heat and mass transfer, complex fluid-dynamic processes. Therefore, rotary drums with flights, but without the presence of drying air, are generally used for the study of the dynamics of particulate material in these dryers. When the drum is in the ideal loading configuration, there is the greater interaction between the particulate material and the flowing air, which is interesting in a case of drying. Based on this, in this work a rotating drum with variable number of flights was built, aiming at the study of the rotary drum in the ideal loading condition. In this way, applications of geometric models for the prediction of this condition were studied and the ideal rotation speed of the drum was determined for different operating conditions of the equipment. This study determined a model for predicting the ideal Froude number as a function of the drum filling fraction, number of flights and material properties, such as density, static angle of repose and dynamic friction coefficient of the material. Besides these, studies were also carried out regarding the angle of last discharge, evaluating the effects of the operational conditions on the discharge of solids in the drum. As a complementary tool to the experimental studies, numerical simulations help the understanding of the flow of granular materials. Regarding the numerical approach, two different approaches for predicting the granular flow inside the drum with flights were used: Eulerian and Lagrangean. In the development of an Eulerian model, using Computational Fluid Dynamics (CFD), it was possible to determine the boundary conditions and to find the best model to reproduce the experimental results, in which the application of the model of turbulence k-ɛ was essential in the description of particle dynamics. In the simulations using the Lagrangian approach (through the Discrete Element Method (DEM)), parameters related to the properties of the particles, such as Poisson Ratio and Shear Modulus, were investigated, as well as particle-particle and particle-wall interactions through coefficients of restitution and static and rolling friction. In this work, a set of parameters was found through which the simulation represented the experimental data well. In addition, it was observed that the use of a smaller shear modulus than the actual one to decrease the computational cost was a valid assumption, mainly for lower rotation speeds. Comparing the two methodologies, it was possible to find the advantages and disadvantages of each one of them. The lagrangean approach allowed to observe each particle individually, being possible the determination of the length of fall of the particles. However, with the change in operating conditions, such as the number of flights, the results presented by the Eulerian approach were better.
Keywords: carregamento ideal
DEM
velocidade ideal de rotação
CFD
Design loading
Ideal velocity of rotation
Engenharia Química
Grãos
Secagem
Equipamentos industriais
Tambor rotatório com suspensores
Carregamento ideal,
Velocidade ideal de rotação
DEM
CFD
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: NASCIMENTO, Suellen Mendonça. Estudo da dinâmica de partículas em tambor rotatório com suspensores: análise experimental e numérica utilizando abordagens euleriana e lagrangeana - Uberlândia. 2018. 107 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.775
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.775
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/21462
Date of defense: 24-May-2018
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