Determinação da curva característica do número de Euler e do coeficiente global de troca térmica de uma nova configuração de ciclone / Determination of the Euler number characteristic curve and the overall heat exchange coefficient of a new cyclone configuration

Ciclones são equipamentos normalmente utilizados na separação de partículas de uma corrente gasosa. Devido à sua geometria, o movimento do gás é turbulento, apresentando comportamento fluidodinâmico complexo, o que aumenta a viabilidade de utilização do ciclone como equipamento de mistura e troca térmica. Neste sentido, este trabalho teve como objetivos propor uma nova configuração de ciclone que promova maior troca térmica fluido-parede possível e determinar a curva característica, número de Euler e o coeficiente global de troca térmica da nova família de ciclone. Os resultados indicaram que a nova família de ciclone apresentava as seguintes proporções geométricas: (Do/Dc)= 0,21; (Lc/Dc) = (Sc/Dc) = 4,23; (Di/Dc) = 0,125; (Zc/Dc) = 2,67 e (Du/Dc) = 0,17. O ciclone proposto apresentou curva característica que corrobora com a literatura, em que a queda de pressão aumenta com incrementos na vazão de ar. O número de Euler apresentou valores entre 594052 e 49918. O coeficiente global de transferência de calor apresentou valores na faixa de 0,96 a 15,94 W/(m2°C). Portanto, o regime fluidodinâmico no interior do ciclone, associado à área útil de troca térmica, promoveu uma transferência de calor satisfatória entre as paredes do equipamento e o gás no escoamento interno

Simulação por fluidodinâmica computacional do escoamento em um hidrociclone concentrador de alto desempenho / Computational fluid dynamics simulation of flow in a high performance concentrator hydrocyclone

No presente trabalho, selecionou-se o hidrociclone concentrador HOII, obtido por Garcia (2018), para que fosse realizada uma simulação via fluidodinâmica computacional (CFD) do escoamento em seu interior. Para isso, construiu-se a geometria e a malha computacional do equipamento no software GAMBIT® e a simulação foi realizada pelo software ANSYS Fluent usando o modelo Reynolds Stress Model (RSM) associado ao modelo Volume of Fluid (VOF). Assim, a razão de líquido e o número de Euler calculados pela simulação foram comparados aos resultados experimentais e calculados por modelos empíricos, obtidos por Garcia (2018). Os resultados mostram que o modelo CFD possui uma capacidade preditiva satisfatória das respostas do HOII. Além disso, os resultados da simulação também mostram que o escoamento no interior do HOII envolve a formação de um air core estável e resulta em um movimento axial descendente somente nas proximidades das paredes do hidrociclone. Tais constatações explicam a baixa razão de líquido e alto poder de concentração do HOII

Effect of multiple inlets in the hydrocyclone HGOT1 performance

Hydrocyclones are equipment that promotes separation of suspensions by centrifugal force action and are widely used in the industry. Despite its simple geometric features, the swirling flow inside hydrocyclones is highly complex so the use of tools such as computational fluid dynamics (CFD) is fundamental in its analysis. In the scope of research of FEQUI / UFU several works with hydrocyclones have been performed and, among the equipment produced by the researchers the HGOT1 stands out as a device optimized for high separation efficiency at reasonable energy cost. Similarly, in the literature, several works on geometric modifications of hydrocyclones have been conducted, including changes in the shape and quantity of inlets. Thus, the objective of the present work was to numerically evaluate the effect of the insertion of multiple inlets on the flow and particle separation of HGOT1. Six different geometries were created by varying the number of inlets (2 and 3) and their positions along the cylindrical section of the HGOT1 (inlets positioned at the same height, HGOT1-2A and HGOT1-3A, in spiral setting, HGOT1-2AE and HGOT1-3AE and one-sided setting, HGOT1-2AU and HGOT1-3AU). The numerical simulations were conducted in Fluent® software and to determine the appropriate computational mesh resolutions the GCI test was used. Single-phase simulations were performed to evaluate the hydrodynamic variables inherent to separation and then a multiphase model, verified with experimental data from Kyriakidis (2018), was used to predict particle collection efficiencies of 0.5, 2.0, 5.0, 10.0, 15.0 and 20.0μm particles. In the results, there were observed increases in the liquid ratio and in the Euler number for all the proposed geometries; however, it was shown that there is a relationship between the proximity of the feeds and the pressure drop in the equipment. Simulations also indicated that the most pronounced increases in flow velocity occurred in its tangential component for both cylindrical and conical sections. Despite the increase in energy consumption, the high tangential velocity values associated with higher flow symmetry indicated HGOT1-2A as one of the most promising proposed geometries regarding greater separation efficiency. The results of multiphase simulations indicated a satisfactory prediction of separation with the association of LES + mixture models (relative errors between 1.1 and 9.1%). The separation efficiency performed by HGOT1 using phosphate rock was higher than using quartzite due to the difference between the densities of these materials. In addition, the use of two inlets in the HGOT1-2A geometry provided separation increases and the most pronounced increases in particle separation were observed in 5 and 10μm particles (10.95 and 12.02%, respectively) due to the centrifugal field intensification. Therefore, in the light of the numerical results it was possible to conclude that the use of multiple inlets, positioned in the same region of the cylindrical section promoted the intensification of the tangential velocity of the flow, which produced a stronger centrifugal field and separated more particles.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorUFU - Universidade Federal de UberlândiaDissertação (Mestrado)Hidrociclones são equipamentos que promovem a separação de suspensões por meio de ação de força centrífuga e estão largamente inseridos na indústria. Apesar de suas características geométricas simples, o escoamento helicoidal no interior dos hidrociclones é altamente complexo, de forma que o uso de ferramentas como a fluidodinâmica computacional (CFD) é fundamental na sua análise. No âmbito de pesquisas da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia (FEQUI/UFU) diversos trabalhos com hidrociclones têm sido realizados e, dentre os equipamentos produzidos pelos pesquisadores, destaca-se o HGOT1, otimizado para elevada eficiência de separação a razoável custo energético. Analogamente, na literatura diversos trabalhos sobre modificações geométricas em hidrociclones têm sido conduzidos, entre eles alterações na forma e quantidade das alimentações do equipamento. Dessa forma, o objetivo do presente trabalho foi avaliar numericamente o efeito da inserção de múltiplas alimentações no escoamento e na separação de partículas do HGOT1. Seis diferentes geometrias foram criadas variando-se a quantidade de alimentações (2 e 3) e sua disposição ao longo da seção cilíndrica do HGOT1 (alimentações dispostas em uma mesma altura, HGOT1-2A e HGOT1-3A, em espiral, HGOT1-2AE e HGOT1-3AE e unilaterais, HGOT1-2AU e HGOT1-3AU). As simulações numéricas foram conduzidas no software Fluent® e para se determinar as resoluções adequadas de malhas computacionais, foi utilizado o teste GCI. Foram realizadas simulações monofásicas para a avaliação de variáveis hidrodinâmicas inerentes à separação e em seguida foi utilizado um modelo multifásico, verificado com dados experimentais de Kyriakidis (2018), para predição da coleta de partículas de 0,5; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0 e 20,0 μm. Nos resultados foram observados aumentos na razão de líquido e no número de Euler em todas as geometrias propostas, entretanto mostrou-se haver uma relação entre a proximidade das alimentações e a queda de pressão nos equipamentos. As simulações também indicaram que os aumentos mais pronunciados de velocidade de escoamento ocorreram em sua componente tangencial, tanto na seção cilíndrica quanto na seção cônica. Apesar do aumento no consumo energético, os altos valores de velocidade tangencial associados à maior simetria em seu escoamento indicaram o HGOT1-2A como uma das geometrias propostas mais promissoras para uma maior eficiência de separação. Os resultados das simulações multifásicas indicaram uma capacidade satisfatória de predição da separação com a associação dos modelos LES+mistura (erros relativos entre 1,1 e 9,1%). A eficiência do HGOT1 na separação de rocha fosfática foi maior do que na separação de quartzito, devido à diferença entre as densidades dos materiais. Além disso, a utilização de duas alimentações na configuração HGOT1-2A propiciou acréscimos na separação, sendo os aumentos mais pronunciados observados na separação de partículas de 5 e 10μm (10,95 e 12,02%, respectivamente) em função da intensificação do campo centrífugo. Portanto, diante dos resultados numéricos expostos foi possível concluir que a utilização de múltiplas alimentações, dispostas em uma mesma altura da seção cilíndrica, promoveu a intensificação da velocidade tangencial do escoamento que, por sua vez, produziu um campo centrífugo mais forte, separando mais partículas