Simulação numérica do resfriamento de um forno de carvão vegetal utilizando um trocador de calor de tubo duplo
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Palavras-chave

forno
carvão vegetal
resfriamento

Como Citar

Busselmann , F., & Lima, T. P. (2024). Simulação numérica do resfriamento de um forno de carvão vegetal utilizando um trocador de calor de tubo duplo. ForScience, 11(2), e01184. https://doi.org/10.29069/forscience.2023v11n2.e1184

Resumo

Minas Gerais é responsável por mais de 80% da produção nacional de carvão vegetal proveniente de florestas plantadas. Ao longo dos anos as empresas vêm procurando aumentar essa produção construindo fornos com capacidade cada vez maior. A etapa de resfriamento desses fornos é um entrave para o aumento da produtividade do setor. O resfriamento natural de um forno pode levar de 6 a 16 dias, dependendo da capacidade do forno. A utilização de trocadores de calor para auxiliar no processo de resfriamento é uma alternativa para acelerar e controlar o tempo de resfriamento desses fornos. O objetivo desse trabalho é simular o resfriamento de um forno retangular para a produção de carvão vegetal utilizando um trocador de calor de tubo duplo. O forno simulado possui uma capacidade de 320 m³ e é resfriado por um trocador de calor de tubo duplo ar-ar com área de troca de 360 m² e vazão de operação de 8.000 m³/h. As equações do modelo matemático foram solucionadas de forma numérica pelo Método dos Volumes Finitos. Os resultados das simulações são comparados com resultados da literatura. A utilização do trocador de calor de tubo duplo permitiu uma redução de até 51% no tempo de resfriamento do forno simulado.

Palavras-chave: Carvão vegetal. Forno. Método dos Volumes Finitos. Resfriamento.

 

Numerical simulation of the cooling of a charcoal kiln using a double pipe heat exchanger

Abstract

Minas Gerais produces more than 80% of the total charcoal national production from planted forests. Over the years, companies have been increasing their charcoal production by increasing the capacity of kilns. The cooling stage of these large kilns is a bottleneck to increasing the sector’s productivity. The natural cooling of a kiln may take 6 to 16 days, depending on its capacity. The use of heat exchangers to assist in the cooling process is an alternative to accelerate and control the cooling time of these kilns. The aim of this work is to simulate the cooling of a rectangular charcoal kiln using a double pipe heat exchanger. The simulated kiln has 320 m³ of capacity and is cooled by an air-to-air double pipe heat exchanger with an area of 360 m² and flow rate of 8.000 m³/h. The equations of the mathematical model were solved numerically using the Finite Volume Method. The simulation results are compared with results available in literature. The use of the double pipe heat exchanger reduced in 51% the time for cooling the simulated kiln.

Keywords: Charcoal. Kiln. Finite Volume Method. Cooling.

https://doi.org/10.29069/forscience.2023v11n2.e1184
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Referências

APERAM BIOENERGIA. Maior forno do mundo e tecnologia que reduz a emissão de fumaça? Temos! Folha Florestal, Aperam BioEnergia, v. 47, p. 4–5, 2018. Disponível em: https://aperambioenergia.com.br/comunicacao/informativos/folha-florestal/. Acesso em: 9 maio 2022.

ARAÚJO, E. C. C. Trocadores de calor. São Carlos: EdUFSCAR, 2002.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220-2: Desempenho

térmico de edificações - parte 2. Rio de Janeiro, 2003.

BERGMAN, T. L. et al. Fundamentals of heat and mass transfer. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2011.

BUSSELMANN, F. Simulação numérica do resfriamento de fornos de carvão vegetal utilizando trocadores de calor de tubo duplo. 2022. 47 f. Monografia (Bel. em Engenharia Mecânica) — Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Diamantina, 2022.

BUSTOS-VANEGAS, J. D. et al. Thermal inertia effects of the structural elements in heat losses during the charcoal production in brick kilns. Fuel, Elsevier, v. 226, p. 508–515, 2018.

CAMPOS, M. B. Modelagem matemática com validação experimental do resfriamento de leito de carvão vegetal em forno retangular industrial. 2000. 116 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) — Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2000.

EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Balanço Energético Nacional 2021: Ano base 2020. 2021. Disponível em: https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco-energetico-nacional-2021. Acesso em: 02 maio 2022.

FATIMA, H. et al. Transient behaviour of a double pipe heat exchanger. INDIAN CHEMICAL ENGINEER, INDIAN INSTITUTE OF CHEMICAL ENGINEERS, v. 49, n. 2, p. 113, 2007.

FRANÇA, G. A. C.; CAMPOS, M. B. Análise teórica e experimental do resfriamento de carvão vegetal em forno retangular. In: 4º ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 2002, Campinas. Anais... Campinas: SciELO Brasil, 2002. Disponível em: http://www. proceedings.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022002000100017& lng=en&nrm=abn. Acesso em: 3 maio 2022.

GOMES, A. F. et al. Qualidade do carvão vegetal submetido a diferentes taxas de resfriamento com trocador de calor. Ciência Florestal, SciELO Brasil, v. 30, p. 677–687, 2020.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATíSTICA. PEVS- Produção da Extração Vegetal e da Silvicultura. 2020. Disponível em: https://www.ibge.gov.br/estatisticas/economicas/agricultura-e-pecuaria/

-producao-da-extracao-vegetal-e-da-silvicultura.html?edicao=31773&t=sobre. Acesso em: 02 maio 2022.

KAKAC, S.; LIU, H.; PRAMUANJAROENKIJ, A. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. 3. ed. [S.l.]: CRC press, 2012.

KSB AKTIENGESELLSCHAFT. Selecting centrifugal pumps: Technical information. Frankenthal, 2005.

OLIVEIRA, A. C. et al. Resfriamento artificial em fornos retangulares para a produção de carvão vegetal. Revista Árvore, SciELO Brasil, v. 39, p. 769–778, 2015.

OTAM S&P BRASIL. Vortex 4.0. 2022. Disponível em: https://solerpalau.com.br/index. php/home/ferramentasselecao. Acesso em: 25 out. 2022.

RODRIGUES, T.; JUNIOR, A. B. Technological prospecting in the production of charcoal: A patent study. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, v. 111, p. 170–183, 2019.

SANTOS, I. da Silva dos. Resfriamento artificial de carvão vegetal em fornos de alvenaria. 2013. 98 f. Tese (Doctor Scientiae) — Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2013.

SANTOS, S. d. F. d. O. M.; HATAKEYAMA, K. Processo sustentável de produção de carvão vegetal quanto aos aspectos: ambiental, econômico, social e cultural. Production, SciELO Brasil, v. 22, p. 309–321, 2012.

VERSTEEG, H. K.; MALALASEKERA, W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. [S.l.]: Pearson education, 2007.

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