Avaliação experimental do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede em regime de leito fluidizado borbulhante monitorado pelo método da frequência central gaussiana

• Main Author: Turini, Bruno Alves Figueroa
• Other Authors: Behainne, Jhon Jairo Ramirez
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2017
• Subjects: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA; Fluidização; Meios de transferência de calor; Permutadores térmicos; Pressão; Fluidization; Heat-transfer media; Heat exchangers; Pressure; Engenharia Mecânica
• Online Access: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2541

Leitos fluidizados borbulhantes (LFBs) são bem conhecidos como sistemas eficientes para transferência de energia térmica em diversas aplicações industriais. Embora muitos trabalhos reportados na literatura tenham já relatado características do rendimento térmico de trocadores de calor gás-sólido em regime de LFB, evidencia-se pouca informação sobre o projeto destes sistemas voltados à sua avaliação experimental a partir do uso de técnicas de flutuações de pressão para o monitoramento do regime fluidodinâmico. Tendo em vista esta lacuna, o presente trabalho apresenta o procedimento para o dimensionamento de um trocador de calor tipo jaqueta inserido em uma coluna de leito fluidizado borbulhante construída em escala de laboratório, bem como a análise da avaliação experimental do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede do dispositivo durante o aquecimento de água. Como garantia da operação do sistema em regime de fluidização borbulhante, incluindo ainda a exploração de condições próximas à da mínima fluidização das partículas, aplica-se o método da frequência central gaussiana como ferramenta para a detecção da desfluidização a partir de medições de flutuações de pressão. Os dados experimentais foram analisados assumindo fluxo de calor uniforme (solução de segundo tipo) ou temperatura uniforme (solução de terceiro tipo) na parede interna da jaqueta d’água. Inicialmente, testes envolvendo vazões mássicas do líquido na faixa de 1,83 ± 0,01 kg/h a 4,46 ± 0,02 kg/h, foram realizados com velocidade de fluidização na razão uo/umf igual a 4. Posteriormente, testes experimentais na vazão mássica fixa de água de 3,62 ± 0,01 kg/h, foram realizados com partículas de diâmetro médio de Sauter de 194 µm e 359 µm e com ar de fluidização alimentado em razões uo/umf de 0,5 a 4,0. Em todos os ensaios deste estudo, o regime de escoamento da água na região anular do trocador de calor foi caracterizado como laminar e termicamente em desenvolvimento. Os resultados apontaram uma variação no coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de 169,93 ± 7,52 W/m²K a 353,28 ± 29,78 W/m²K para solução de segundo tipo, e de 191,54 ± 8,55 W/m²K a 468,43 ± 39,27 W/m²K para solução de terceiro tipo, ao utilizar temperaturas do leito de 50 ºC e 70 ºC. A análise dos dados obtidos confirma que o uso das partículas mais finas e temperaturas maiores do leito promovem o incremento no valor do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede. Adicionalmente, os resultados verificaram a presença de um valor máximo do coeficiente de transferência de calor suspensão-parede na faixa de uo/umf analisada. === Bubbling fluidized beds (BFBs) are well known as efficient systems for thermal energy transfer in several industrial applications. Although many works have already pointed out the performance features of gas-solid BFB heat exchangers, more data about the design and operation of these devices are needed when using pressure fluctuation techniques for the hydrodynamics control. Considering this gap, the procedure for the design of a jacket-type heat exchanger placed in a bench scale bubbling fluidized bed column and the experimental assessment of its bed-to-wall heat transfer coefficient under several operating conditions are presented here. As a guarantee for operating the system under a bubbling fluidization regime, as well as in conditions close to the minimum fluidization, the central Gaussian frequency method is applied. By using this method, it is possible to identify the defluidization phenomenon from pressure fluctuations measurements. The experimental information was analyzed assuming uniform heat flux (solution of second type) or uniform temperature (solution of third type) in the inner wall of the water jacket. Initial tests were performed at fluidization velocity uo/umf ratio equal to 4, involving water mass flow rates in the range of 1.83 ± 0.01 kg/h to 4.46 ± 0.02 kg/h. Other experimental tests, this time involving water mass flow rate kept constant at 3.62 ± 0.01 kg/h, were carried out with particles of 194 and 359 μm in Sauter mean diameter and with fluidization air fed in uo/umf ratios changing from 0.5 to 4.0. In all tests of this study, the water flow regime in the annular region of the heat exchanger was identified as laminar and thermally developing. Results indicated that the bed-to-wall heat transfer coefficient varies in the range of 169.93 ± 7.52 W/m²K to 353.28 ± 29.78 W/m²K for the second type solution and from 191.54 ± 8.55 W/m²K to 468.43 ± 39.27 W/m²K for the third type solution, when using bed temperatures of 50 °C and 70 °C. The analysis of these results confirms that by using the finer particle or the higher bed temperature, the value of the bed-to-wall heat transfer coefficient tends to increase. In addition, results suggested that a maximum value of the bed-to-wall heat transfer coefficient can be obtained in the range of uo/umf ratio tested, which is in agree with previous works.