Modelagem e simulação de transferência de calor em leito de partículas estacionárias sujeito a agitação intermitente

Abstract

This work presents a study about heat transfer in spheres glass bed put in horizontal drum partially filled, built to solid state fermentation, using modeling and simulation tools. Two situations were analyzed: aeration above the bed surface, and absence of aeration with presence of electric resistance. During the experiments, the operation temperature was 45ºC and, when with electric resistance, the dissipated potency was maintained constant. It was collected temperature data at different positions in the bed for filling degree of 0,2 and 0,4. The proposed models were written in Matlab language and the validation occurs by comparison of simulation and experimental data. With aeration above the bed surface, the heat transfer was represented by one-phase and unidimensional model, which temperature various with radial position, with convective contour on the bed surface (h) and wall drum (hp). On surface, h was experimentally estimated and, on wall drum, hp was estimated using parametric sensibility analysis along with parameter k, with R² as response analyzed. When with electric resistance and absence of aeration, was validated a one-phase bidimensional model with temperature in function angular and radial positions. The contours employed on the wall drum and bed surface were the same as previous situation, and the presence of resistance was interpreted as a contour of constant flow. The parameters h (surface), k e hp were estimated using a parametric sensibility analysis with R² (R² ≥ 0,87). The temperature profiles obtained by simulation present good according with experimental data.

Esta dissertação apresenta um estudo sobre transferência de calor em leito de esferas de vidro colocado em um tambor horizontal parcialmente preenchido, construído para fermentação em estado sólido, através de modelagem e simulação. Foram analisadas duas situações: aeração sobre a superfície do leito de partículas, e ausência de aeração com presença de resistência elétrica em meio ao leito. Durante os experimentos, a temperatura de operação foi de 45ºC e, quando em presença de resistência elétrica, a potência dissipada foi mantida constante. Foram coletados dados de temperatura de diferentes posições no interior do leito para os graus de enchimento 0,2 e 0,4. Os modelos propostos foram escritos em linguagem Matlab e validados através do coeficiente R² entre os dados experimentais e simulados. Para a situação com aeração sobre a superfície do leito, a transferência de calor no leito de esferas de vidro foi descrita através de um modelo unidimensional a uma fase, com variação de temperatura em função da posição radial, com contornos convectivos na superfície (h) e na parede do tambor (hp). Na superfície, h foi estimado experimentalmente e, na parede, hp foi estimado por meio de análise de sensibilidade paramétrica juntamente com o parâmetro k, tomando R² como resposta analisada. Para a situação em presença da resistência elétrica e ausência de aeração, foi validado um modelo bidimensional a uma fase com variação da temperatura em função das posições angular e radial. Os contornos na parede e superfície do leito foram os mesmos da situação anterior mesmo em ausência de introdução de ar no sistema, e a presença da resistência em meio ao leito de partículas foi interpretada como um contorno de fluxo constante. Os parâmetros h (superfície), k e hp foram estimados através de análise de sensibilidade paramétrica através de R² (R² ≥ 0,87). Os perfis de temperatura obtidos através de simulação apresentaram boa concordância com os dados experimentais.