Análise numérica de calhas de transferência de metal líquido aquecidas a gás natural

Abstract

Este trabalho apresenta uma análise térmica numérica em CFD de uma calha de transferência de metal líquido, aquecida através de gases provenientes da combustão de gás natural. Calhas de transferência são equipamentos utilizados na movimentação de metal no estado líquido dentro de plantas de fundição ou outras indústrias. O funcionamento de uma calha e as diferentes configurações geométricas existentes, também são discutidos. Um apanhado de trabalhos previamente publicados acerca deste tipo de equipamento é apresentado e sumarizado. A calha avaliada é simulada no software comercial Ansys CFX com vazões mássicas de 1,0 t/h de alumínio líquido e 2,7 m³/h de gás natural. Na simulação são incluídos os fenômenos da combustão do gás natural, da troca térmica radiativa, convectiva e condutiva, do escoamento turbulento dos gases em canais internos à calha e do escoamento do alumínio líquido. A análise da combustão e a simulação do escoamento dos gases dentro da calha é realizada para vários modelos diferentes, com foco na interação dos gases quentes com os diferentes materiais da calha. Na simulação são incorporadas diversas simplificações derivadas dos atuais modelos apresentados por empresas fabricantes destes equipamentos. Os resultados das simulações são apresentados na forma de balanços de energia e análises da distribuição do calor ao longo da calha. Uma análise exergética da troca de calor dentro da calha é realizada juntamente com uma avaliação dos custos de operação. Comparações de fluxos de calor e temperaturas são realizadas para os diversos modelos avaliados. Ao final, uma configuração de maior eficiência é obtida e atesta-se a viabilidade da construção deste tipo de calha.

Abstract : This work presents a CFD numerical thermal analysis of a liquid metal transfer trough heated by flue gases from natural gas combustion. Transfer troughs are equipment used within foundry plants or other industries for the movement of metal in liquid state. The operation of a trough and different existing geometric configurations are also discussed. A collection of previously published works on this type of equipment is presented and summarized. The evaluated trough is simulated in the commercial software Ansys CFX with mass flow rates of 1.0 t/h for the liquid aluminum and 2.7 m³/h for the natural gas. In the simulation, are included the phenomena of the combustion of the natural gas, the radiative, convective and conductive thermal exchange, the turbulent flow of the gases inside channels and the liquid aluminum flow. Combustion analysis and simulation of gas flow within the trough is performed for several different models, focusing on the interaction of the hot flue gases with the different trough materials. Several simplifications derived from the current models presented by manufacturers of these equipments are incorporated in the simulation. The results of the simulations are presented in the form of energy balances and analyzes of the heat distribution along the trough. An exergy analysis of the heat exchange within the trough is performed together with an evaluation of the operating costs. Comparisons of heat flows and temperatures are performed for the various models evaluated. At the end, a more efficient configuration is obtained and the viability of the construction of this type of trough is attested.