Aperfeiçoando o desempenho da pulverização com Dinâmica de fluidos computacional. Bicos Automação Análise Técnica. Sistemas

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1 Aperfeiçoando o desempenho da pulverização com Dinâmica de fluidos computacional Bicos Automação Análise Técnica Sistemas

2 Dinâmica de fluidos computacional (DFC) DCF é uma ciência da previsão: Vazão do fluido Transferência de calor Transferência de massa Reações químicas A DFC utiliza métodos e algoritmos numéricos para solucionar a analisar problemas que envolvem vazões de fluidos. Um software sofisticado realiza os milhões de cálculos necessários para simular a interação de fluidos e gases com os fenômenos físicos associados. A DFC é amplamente utilizada em dúzias de setores, tais como: Aeroespacial/defesa Biomédico/farmacêutico Ambiental/qualidade da água Geração de Energia Automotivo Processamento químico/petroquímico Alimentos/bebidas Turbomáquinas Velocidade do fluido dentro da câmera de mistura de um bico de pulverização de dois fluidos com mecanismo de colisão. Usamos a DFC para prever: Vazão de líquido e gás em lavadores, torres, dutos e secadores Características de vazão interna em bicos de pulverização Mistura de gás e líquido em bicos de dois fluidos Impacto na parede e sombreamento A DFC ilustra padrões de pulverização, velocidade, temperatura, distribuições de gás/líquido, trajetória das gotículas, pressões em todo o sistema e forças de tensão causadas pela vazão do fluido. 2

3 Análise de pulverização avançada Nossa missão é solucionar problemas de pulverização, aperfeiçoar o desempenho do sistema de pulverização e encontrar novas formas de pulverizar. Na maioria dos casos, vamos diretamente para nossos laboratórios de pulverização repletos de equipamento especializado de última geração para caracterizar a pulverização e prever o desempenho dos pulverizadores. Simulamos os ambientes de operação de nossos clientes para determinar a influência de muitas variáveis - vazão do ar, variações na pressão, temperatura, posição do bico, tipo/densidade do fluido, materiais de construção e mais - no desempenho do pulverizador. Perfis de temperatura indicam resfriamento de gases usando bicos atomizadores a ar FloMax dentro da torre. Algumas operações de pulverização não podem ser reproduzidas em nossos laboratórios. Embora possamos pulverizar outras soluções além de água, existem alguns gases e líquidos que não são seguros para se usar durante os testes. Mais, nem sempre é viável reproduzir algumas condições de mistura e reações químicas. Embora sempre construamos invólucros e/ou chuveiros de pulverização para simular condições de pulverização reais, não é prático construir algumas estruturas e ambientes de pulverização. É quando confiamos em nossa extensa biblioteca de dados de caracterização de pulverização e DFC exclusivos. Tel.: (11) FAX: (11)

4 Como nossa abordagem DFC é diferente... e alcança melhores resultados A diferença entre DFC padrão e específica Modelos padrão de DFC usam códigos numéricos teóricos que exigem comprometimento de tempo do usuário e recursos computacionais extensos. Os usuários devem compilar e preparar diversas informações específicas - que sempre exigem semanas de trabalho. Uma vez que se entra com os dados no programa de modelagem DFC, o trabalho do computador começa. O tempo de computação dependerá da complexidade do modelo. Podem ser usados computadores padrão, contudo, as computações podem levar semanas para acabar. Nossos modelos DFC específicos usam dados que coletamos em nossos laboratórios de pulverização e diminuem consideravelmente o total de tempo necessário para preparação e entrada dos dados. Podemos concluir a fase de preparação em questão de dias, não de semanas. O tempo de computação também é reduzido de forma significativa devido ao hardware especialmente equipado que usamos. Embora cada modelo seja diferente, um projeto recente foi concluído em menos de uma hora, comparado aos quase dois dias necessários antes de nossa última atualização de hardware. Isso abreviou o tempo total do projeto em semanas em vez de meses. O uso de dados reais de desempenho de pulverizador aumenta a precisão do modelo. O uso de dados estimados aumenta o fator de erro na modelagem DFC. Por exemplo, cálculos de cobertura teóricos superestimam a cobertura de pulverização real e não podem responder por condições específicas que podem afetar a pulverização, tais como vazão de gás contra ou a favor da corrente, barreiras de calor e mais. Além disso, nossa pesquisa mostrou que um erro fatal em cálculos teóricos aumenta à medida que aumenta a distância do bico ao alvo. Nossa modelagem DFC de pulverização usa o tamanho real de gota e os dados de velocidade que coletamos em nossos laboratórios. Usamos esse extenso banco de dados de material de desempenho em cada modelo em que tamanho de gota e velocidade tem um papel no processo físico. Nossos experientes engenheiros, especialistas em tecnologia de pulverização, sabem quando confiar em nossos dados exclusivos para conduzir testes adicionais no laboratório a fim de garantir o necessário nível de precisão. 4

5 Como colhemos dados anteriores a DFC Cobertura de pulverização Cobertura é a área da superfície de um alvo que recebe a pulverização. Isso é importante em aplicações que requerem mistura e/ou depósito de pulverização. Usa-se uma mesa de prova para colher o líquido pulverizado a várias distâncias a partir do alvo. Nos casos em que são usados bicos em uma corrente de gases, os dados são coletas em um túnel de vento para simular condições reais de pulverização. Distribuição de pulverização Distribuição de pulverização é a distribuição do volume de líquido sobre um alvo. Ela normalmente é usada para determinar a reação ou atributos de mistura de um processo. Os dados são colhidos com o uso de mesas de prova óticas ou mecânicas. Distribuição do tamanho de gota O tamanho de gota tem um impacto significativo em muitas aplicações em que é essencial a evaporação ou uma interação específica com outras partículas. Condicionamento de gases, supressão de poeira, spray drying e pulverização agrícola são alguns exemplos. Analisadores óticos são usados para determinar o tamanho de gota e velocidade do mesmo. São usados diversos tipos de analisadores; o tipo de pulverização determina qual é o analisador mais apropriado para a medição. Os dados de tamanho de gota são coletados e usados de maneira apropriada como uma entrada para definir as injeções em DFC. Tel.: (11) FAX: (11)

6 Resolução de problemas com DFC Estudo de caso Condicionamento de gases em uma torre de resfriamento Desafio: Uma grande refinaria precisava atualizar a torre de condicionamento de gases para cumprir diversas normas ambientais governamentais. Havia muitas obstruções e curvas fechadas em toda a torre que poderiam afetar de maneira negativa o desempenho do bico de pulverização, resultando em umidade de parede e evitando o resfriamento efetivo. Requisitos: Razão de modulação de 5:1 Região de fluxo reverso Problema Mudança de perfil da vazão de gás que causa umidade de parede significativa, reversão de vazão e resfriamento de gás insuficiente. Opera em uma amplitude de pressão de vapor atomizador abaixo de 100 psi (7 bar) e pressão de injeção de água na faixa da pressão de atomização Distribuição estreita de tamanho de gota no escoamento do gás de exaustão Trajetória de pulverização baixa garantiria parede sem umidade O líquido pulverizado deve evaporar antes da saída do duto para evitar algum dano no equipamento à jusante Bico com passagem livre grande para reduzir entupimento Solução: Desenvolvemos o sistema de resfriamento para a torre com base nas necessidades do cliente usando nossos bicos atomizadores a gás FloMax. Foi então solicitado que confirmássemos o projeto. Com o uso de DCF e dados de desempenho do bico FloMax reais colhidos em nossos laboratórios, descobrimos que o desenho proposto resultaria em umidade de parede, pontos quentes nas paredes laterais que causam danos no forro da parede e falha do sistema definitiva. Desenvolvemos um projeto alternativo para eliminar os pontos quentes e melhorar a evaporação em cerca de 10%. Solução O fluxo uniforme da vazão de gases é evidente após a implantação de difusores para redirecionar o fluxo. Bicos atomizadores a gás FloMax Usam princípios de atomização exclusivos para garantir que gotas muito pequenas sejam produzidas com o uso de pouca energia para evaporação de 100%. 6

7 Mais sobre estas e outras aplicações da indústria em Desafio: Uma indústria de processamento químico precisava melhorar a injeção de matéria prima de cimento pastoso em uma coluna de reação. O projeto existente era incapaz de superar o complicado campo de vazão criado pela expansão do gás resultante da injeção, causando degradação do padrão de pulverização. Requisitos: Uma indústria de processamento químico precisava melhorar a injeção de matéria prima de cimento pastoso em uma coluna de reação. O projeto existente era incapaz de superar o complicado campo de vazão criado pela expansão do gás resultante da injeção, causando degradação do padrão de pulverização. Problema Posicionamento inicial do bico de pulverização dentro da torre causou significativa umidade de parede. Determinar a colocação ótima do bico para garantir mínima colisão de suspensão nas paredes da coluna para evitar danos ao revestimento da mesma. Modelar a trajetória da pulverização para confirmar que a maioria da suspensão em excesso escoaria para o fundo da torre. Atingir boa cobertura de pulverização por toda a coluna. Solução: O projeto preliminar encomendado para seis lanças com bicos jato cone oco WhirlJet de alta vazão com um padrão de pulverização de 60. Para garantir que fosse alcançado o desempenho necessário, buscamos validar o projeto. A maior prioridade foi fazer um modelo do padrão de vazão causado pelos gases de expansão. Também precisamos avaliar o impacto da disposição da tubulação. A colocação dos tubos limitou a distância que cada lança poderia ser colocada na coluna. Isso exigiu que cada posição de bico fosse determinada individualmente para garantir boa cobertura e minimizar o risco de umidade de parede. Usando dados de teste real a partir dos bicos jato cone oco e DFC, fomos capazes de fazer um modelo do tamanho de distribuição de gotículas, velocidade inicial e direções de gotículas via força de arrasto. Então fomos capazes de posicionar cada bico nas lanças para minimizar a umidade de parede. Solução Otimização das posições do bico de pulverização indicou umidade de parede minimizada e melhor cobertura de pulverização. Movimento do gás em linha de vazão secundária dentro do tanque Bicos de pulverização jato cone oco WhirlJet Nossa nova configuração de bico reduziu a umidade em 40% e atendeu às necessidades de nosso cliente. Tel.: (11) FAX: (11)

8 Outros recursos úteis Serviços de pesquisa e análise de pulverização Boletim 520C Boletim de 8 páginas que estuda como o teste de pulverização avançado ajuda a determinar o desempenho sob várias condições de operação para garantir sucesso de aplicação. Um guia de tecnologia de pulverização para processos farmacêuticos Boletim 599A Um boletim de 6 páginas aborda bicos de pulverização para revestimento de comprimidos, lavagem de tanques e spray drying. Guia de referência de tecnologia de pulverização: Entendendo sobre o tamanho de gota Boletim 459C Guia educativo de 36 páginas aborda com profundidade atomização, técnicas de medida de tamanho de gota, análise e coleta de dados e mais. Melhore o processo e a qualidade do produto nos processos químicos através da tecnologia de pulverização Boletim 568 Boletim de 12 páginas fornece uma visão geral de como a tecnologia de pulverização é usada em uma ampla variedade de aplicações. Aperfeiçoe o seu sistema de pulverização Manual técnico 410 Um manual de 52 páginas explica como avaliar seu sistema de pulverização, descobrir e resolver problemas dispendiosos, melhorar a qualidade, reduzir o tempo de manutenção e mais. Guia de condicionamento e resfriamento de gases Boletim 540B Um boletim de 12 páginas descreve como aperfeiçoar a eficiência e o desempenho em aplicações de condicionamento e de resfriamento de gases. Estrada Particular Yae Massumoto, São Bernardo do Campo - SP Tel: (11) Fax: (11) Bicos Automação Análise Técnica Sistemas Boletim n. 621A Spraying Systems Co. 2009