Uma contribuição ao estudo do escalonamento de ciclones

Orientador: Leonardo Goldstein JrDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: O emprego de modelos constitui uma solução prática para estudar a influência dos fatores operacionais no desempenho dos ciclones de porte industrial. A construção dos modelos deve obedecer a fatores de escala apropriados que determinam a existência de semelhança entre o modelo e o protótipo. Modelo e protótipo apresentarão comportamento fluidodinâmico semelhante se forem geometricamente semelhantes e se os valores dos números adimensionais correspondentes forem iguais. Um conjunto de números adimensionais representativo dos fenômenos envolvidos no escoamento gás-sólidos em ciclones deve levar em conta as forças interparticulares, como a de van der Waals e a eletrostática. A dificuldade para obedecer às condições de semelhança levando-as em conta seria, no entanto, muito grande. Assim sendo, desconsiderou-se a eventual participação das forças interparticulares na determinação do grupo de números adimensionais a partir dos quais se gerou as leis de escala. Estas leis simplificadas foram aplicadas para a construção de dois ciclones, modelo e protótipo, em escala, que foram testados para determinação da faixa de aplicação da simplificação introduzida. Adicionalmente abriu-se mão de operar com uma semelhança dinâmica completa entre modelo e protótipo, tendo-se a chamada Semelhança Incompleta, pois, por motivos práticos, operou-se o modelo com ar em condições ambientais, o que equivale a desprezar as forças viscosas em relação às forças de inércia, subtraindo-se o requisito da igualdade do número de Reynolds das relações de escala. O presente trabalho mostrou experimentalmente a existência de concentrações a partir das quais a simplificação proposta perde a validade, implicando que as forças desconsideradas são de magnitude tal que não podem deixar de ser consideradas na geração dos adimensionais. Verificouse que, abaixo destas concentrações limite houve semelhança quanto ao rendimento de coleta, como se constatou pela existência de igualdade dos rendimentos de coleta dos ciclones modelo e protótipo, quando em condições operacionais de velocidades correspondentes e com a mesma concentração de sólidos na entrada dos ciclones. Verificou-se também que a perda de pressão, Dp, adimensionalizada em relação à perda de pressão no ciclone vazio mostrou-se mais adequada que a razão Dp/romo2; para definição da semelhança quanto à perda de pressão, possivelmente porque a velocidade na entrada do ciclone, mo, não seja a velocidade mais adequada a ser utilizada na adimensionalização da perda de pressãoAbstract: The use of models in scale is a practical way of studying how the operational parameters influence the performance of industrial cyclones. The model and the prototype cyclones should be built according to a scaling law - given by a set of dimensionless parameters --, so that they are similar. It there will be fluid-dynamical similarity between the cyclones if they are geometrically similar and the sets of corresponding dimensionless parameters are equal. A group of dimensionless parameters which represent the gas-solid flow phenomenon in cyclones should consider interpartic1e forces, such as the van der Waals and the electrostatic forces. However, as it would be quite difficult to comply with a scaling law determined from taking into consideration these forces, it was decided not to include them and check the range of applicability of the simplified set. Moreover, during the tests, all the dimensionless parameters were made equal, with the exception of the Reynolds number, because, for practical reasons, atmospheric air was used in the tests for both prototype and model cyc1ones, what is equivalent to neglect the viscous forces as compared to the inertial forces. The present work showed that when the model and prototype cyclones were operating at the corresponding velocities and with the same solids concentration at the inlet, similarity was obtained between the collection efficiencies when the solids concentration was less than 1.0 kg/kg, meaning that the proposed methodology was appropriate, that is, that the forces not included were not significant and could be neglected. Concerning the pressure drop in the cyclones, it was observed that the ratio of the pressure drop, Dp, by the pressure drop in the cyclone with no solids, was more appropriate than the ratio Dp/romo2; for expressing similarity, maybe because the entrance velocity, mo, is not the best velocity to be used as a scaling parameterMestradoTermica e FluidosMestre em Engenharia Mecânic