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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34153
ORCID: | http://orcid.org/0000-0001-9489-6255 |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Avaliação experimental e numérica de aeração induzida por tubos Venturi |
Alternate title (s): | Numerical and experimental evaluation of aeration induced by Venturi tubes |
Author: | Macedo, Pedro Augusto Almeida de |
First Advisor: | Vieira, Luiz Gustavo Martins |
Second Counselor: | Salla, Marcio Ricardo |
First member of the Committee: | Lima Neto, Iran Eduardo |
Second member of the Committee: | Kyriakidis, Yanne Novais |
Third member of the Committee: | Vieira, Rafael Bruno |
Summary: | Com a crescente necessidade de oxigênio em diversas áreas como na indústria petroquímica, bioquímica, farmacêutica, saneamento ambiental e piscicultura, o uso de dispositivos aeradores se torna cada vez mais importante. No entanto, devido ao alto consumo de energia por tais dispositivos, torna-se necessária a busca por novas fontes de aeração. O presente trabalho tem como objetivo estudar a aeração em tubo Venturi, que proporciona a oxigenação sem a utilização de equipamentos mecânicos fornecedores de ar. Ao escoar um fluido pressurizado por uma seção transversal inferior à seção original da tubulação, há um aumento na velocidade do escoamento e uma redução na pressão. Geometricamente, em um tubo Venturi, a variação da seção transversal na tubulação ocorre, de montante para jusante, a partir de uma redução gradual do diâmetro (seção convergente), seguida por uma seção estrangulada de diâmetro fixo (garganta) e, a partir daí, uma ampliação gradual de diâmetro (seção divergente). Na região estrangulada da garganta, quando a pressão se torna inferior à pressão atmosférica, ocorre uma sucção de ar externo a partir de um orifício instalado na parede dessa garganta. A estratégia metodológica adotada neste estudo engloba cálculos teóricos hidráulicos, experimentos hidráulicos e simulações computacionais. Inicialmente, com auxílio de um planejamento fatorial (33) e ferramentas estatísticas, avaliou-se teoricamente a interferência das variáveis potência da bomba (PB), comprimento da tubulação total (L) e diâmetro da tubulação (D) na capacidade de geração de vácuo na garganta do tubo Venturi. Para isso, fixou-se a razão geométrica β em 0,5 (essa razão geométrica β é a divisão do diâmetro interno da tubulação na região da garganta pelo diâmetro interno da tubulação original). Na sequência, com as variáveis PB, L e D fixas, foi avaliada, em uma unidade experimental, a aplicabilidade do tubo Venturi em quatro razões geométricas β distintas (0,2, 0,3, 0,4 e 0,5) por meio de: relação entre a vazão volumétrica e a pressão diferencial garganta/tubulação a montante; capacidade de oxigenação mensurada pelo coeficiente volumétrico de transferência de massa KLa. Na sequência, a fim de complementar a análise experimental, foram realizadas simulações do escoamento com e sem injeção de ar na região da garganta, por meio da técnica de fluidodinâmica computacional. Com os resultados, estatisticamente verificou-se que o diâmetro da tubulação apresenta maior influência na capacidade de geração de vácuo na garganta do tubo Venturi, quando comparado à potência da bomba e ao comprimento da tubulação. Quanto menor for a razão geométrica β, maiores são a queda de pressão e a sucção por parte do Venturi. Experimentalmente, considerando-se a maior vazão volumétrica de água, obteve uma queda de pressão igual a 1,2.105 Pa e 4.4.104 Pa, respectivamente, para β igual a 0,2 e 0,5. Através de cálculos teóricos, para β igual a 0,2 e 0,5, a vazão de ar succionada na garganta foi igual a 1,5 e 0,48 L/s, respectivamente. Obteve-se uma correlação entre os resultados experimentais e numéricos da pressão diferencial, alcançando um desvio médio de 6,33%. Por fim, verificou-se que o KLa para o sistema ficou na faixa de 0,0033 a 0,0040 s-1, sendo o melhor valor obtido em β igual a 0,4. Com isso, considera-se o tubo Venturi viável para a aeração do meio líquido, apresentando-se, assim, como uma alternativa aos processos convencionais. |
Abstract: | With the growing demand of oxygen by many industries and study areas, as like environmental sanitation, pisciculture, petrochemical, biochemical and pharmaceutical industries, aerators became a really important part of the process by those industries. However, due to the huge amount of consumed energy by aerators, a search for new sources of aeration in those systems became necessary. The present work has, as the main objective, the study of Venturi aerators, which provides systems oxygenation without using any air supplier mechanical equipment. As a pressurized fluid flows through the converging section, there is a progressive increase in the fluid velocity and a drop in the pressure. Geometrically, in a Venturi tube, the change in cross-sectional area occurs from upstream to downstream, due to a progressive diameter reduction (convergent section), followed by a throttled section with a fixed diameter (throat) and, after this section, a gradual diameter expansion (diverging section). In the throttled portion, when the pressure drop became lower than the atmospheric pressure, an air injection occurs, through an orifice connected in the throat. In this study, the methodological approach adopted includes hydraulic theoretical calculations, hydraulic experiments and computational simulations. At first, by performing a factorial experimental design (33) and through statistical tools, a system was evaluated, through theoretical calculations, to determine which, between the variables studied pump power (PB), length (L) and tubulation diameter (D), were having a bigger impact in the process of air suction at the Venturi tube throat. In this regard, the geometrical ratio between the internal throat diameter and the internal inlet diameter (β) was fixed at the value of 0.5. Furthermore, using the variables PB, L e D at a fixed value, through an experimental unit, the Venturi tube applicability with four distinct geometrical ratios (0.2, 0.3, 0.4 and 0.5) was evaluated, by means of: a relationship between volumetric flow rate and the differential pressure in the throat/inlet upstream portion; oxygenation capacity evaluated through an estimation of the volumetric coefficient of mass transfer (KLa). After, in order to complement the experimental analysis, flow numerical simulations were performed with and without air injection at the throat portion, through computational fluid dynamics. The theoretical results, statistically, indicate a bigger influence in the air suction capacity, at the throat section, by the tubulation diameter, between the dependent variables studied (pump power, length and tubulation diameter). Also, a certain influence of the geometric ratio in the pressure drop and air suction, as its value lowered, bigger pressure drop values were evaluated and suction increased by the Venturi aerator, obtaining, through experiments, 1.2.105 Pa for the ratio of 0.2 and 4.4.104 Pa for the 0.5, at the condition of higher flow rate by the experimental unit. Through theoretical calculations, for the ratio of 0.2 and 0.5, the air flow rate obtained was 1.5.10-3 and 4.8.10-4 m3/s, respectively. Beyond that, the results obtained for the differential pressure indicates a correlation between the experimental and numerical results, with a mean deviation of 6.33%. Finally, the KLa obtained was in the range of 0.0033 and 0.0040 s-1, and the best value was found with the geometric ratio of 0.4. Besides that, the Venturi tube is considered viable, due to the possibility of aeration in a liquid medium, becoming thus, an alternative to conventional processes. |
Keywords: | Tubo de Venturi Aeração Fluidodinâmica computacional Engenharia química Venturi tube Aeration Computational fluid dynamics |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
Subject: | Engenharia Química |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | MACEDO, Pedro Augusto Almeida de. Avaliação experimental e numérica de aeração induzida por tubos Venturi. 2022. 108 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.97. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.97 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34153 |
Date of defense: | 11-Feb-2022 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Química |
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