00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA TRABALHOS DE CONCLUSÃO DE CURSO (TCC) - GRADUAÇÃO - CTEC Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) - Bacharelado - ENGENHARIA QUÍMICA - CTEC
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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Análise topológica e inferência para otimização de longevidade operacional de permutador térmico assimétrico
Autor(es): Lima, Lucas Henrique Brasil Montenegro Vasconcellos
Primeiro Orientador: Brandão, Rodolfo Junqueira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Soletti, João Inácio
metadata.dc.contributor.referee1: Rocha Neto, João Batista Maia
metadata.dc.contributor.referee2: Pimentel, Wagner Roberto de Oliveira
Resumo: O trocador de calor, equipamento que promove a transferência de energia entre fluidos com diferentes temperaturas, é fundamental na indústria, pois seu uso adequado permite um balanço financeiro favorável para uma planta industrial, considerando que o custo energético de uma indústria representa uma fatia majoritária de seus dispêndios operacionais. Também, esse equipamento possui um alto custo de aquisição, montagem e manutenção, assim, é necessário adotar diversas medidas para aumentar seu tempo de campanha frente à sua depreciação contábil. Dito isto, este trabalho avalia a topologia de um recuperador de calor casco e tubo em U com o objetivo de aumentar seu tempo de campanha, dado o papel fundamental desses equipamentos na indústria, especialmente na petroquímica. Foram realizadas simulações numéricas utilizando fluidodinâmica computacional (CFD) para investigar o desgaste nos tubos sob três diferentes cenários a partir do software de código aberto OpenFOAM v.2406. A execução da simulação deu-se sob condições simplificadas a fim de reduzir o custo computacional, onde considerou-se escoamento do ar, fluido newtoniano, incompressível e com aplicação do modelo de turbulência RAS e desconsiderou-se a avaliação de perfil térmico, isolando as demais variáveis. No cenário 1, foram simuladas as condições reais de operação, com a geometria do projeto original, observando-se deterioração acentuada nas primeiras fileiras de tubos, indicando áreas de alta tensão de cisalhamento e mostrando alta adequação da simulação ao caso estudado. O cenário 2, considerando a inversão do feixe de tubos, sugeriu uma redistribuição mais uniforme das tensões, potencialmente prolongando a vida útil do equipamento. O cenário 3, com a adição de três chicanas dimensionalmente idênticas, mostrou redução localizada de tensões nas zonas de recirculação, com diminuições de até 50%, mas apresentou elevações em pontos críticos em até 35%, além de comprometer a eficiência térmica. A simulação computacional se mostrou eficaz para identificar estratégias de aumento de longevidade operacional do trocador de calor. Recomenda-se pesquisas experimentais futuras, como a alteração no arranjo das chicanas vistas no terceiro cenário, para validar as suposições e otimizar o design e a manutenção do equipamento, garantindo operação eficiente e sustentável.
Abstract: The heat exchanger, a device responsible for energy transfer between fluids with different temperatures, is critical in industrial applications, as its proper utilization ensures a favorable financial balance for industrial plants, considering that energy costs represent a significant portion of operational expenses. Additionally, this equipment incurs high acquisition, installation, and maintenance costs, necessitating various measures to extend its operational lifespan against its accounting depreciation. This study evaluates the topology of a shell-and-U-tube heat exchanger, aiming to extend its campaign time, given its fundamental role in industries, particularly in petrochemical applications. Numerical simulations were conducted using Computational Fluid Dynamics (CFD) with the open-source software OpenFOAM v.2406 to analyze tube wear under three different scenarios. The simulations were performed under simplified conditions to reduce computational costs, assuming airflow as a Newtonian incompressible fluid and applying the RAS turbulence model while excluding thermal profile evaluation to isolate other variables. Scenario 1 simulated real operating conditions with the original design geometry, showing significant deterioration in the first rows of tubes due to high shear stress, validating the simulation's applicability to the studied case. Scenario 2, considering a reversed tube bundle configuration, demonstrated a more uniform stress redistribution, potentially extending the equipment’s operational lifespan. Scenario 3, involving three dimensionally identical baffles, exhibited a localized stress reduction in recirculation zones by up to 50%, but also presented stress increases in critical areas by up to 35%, alongside compromised thermal efficiency. CFD proved to be an effective tool for identifying strategies to enhance the operational longevity of heat exchangers. Future experimental research is recommended to validate the assumptions and optimize the equipment’s design and maintenance, ensuring efficient and sustainable operation.
Palavras-chave: Trocador de calor
Dinâmica de fluidos computacional
Carburização
Tensões
Simulação
Heat exchanger
Computational fluid dynamics
Carburization
Stresses
Simulation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.department: Curso de Engenharia Química- Bacharelado
Citação: LIMA, Lucas Henrique Brasil Montenegro Vasconcellos. Análise topológica e inferência para otimização de longevidade operacional de permutador térmico assimétrico. 2026. 88 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/17812
Data do documento: 27-fev-2025
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