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Utilizando o FLOW-3D para simulação de transferência e troca de calor no Processo de Têmpera de Metais

 

Na indústria metalúrgica, a eficiência no resfriamento de metais é essencial para garantir a integridade estrutural e as propriedades mecânicas e microestrutura desejadas do produto final. Um dos principais pilares desse processo é a transferência de calor, um fenômeno complexo que desempenha um papel fundamental na dissipação da energia térmica dos metais. Neste blog, mergulhamos profundamente na ciência da transferência de calor durante o resfriamento de metais, destacando o papel crucial das placas através de um circuito de refrigeração. Exploraremos como essas placas são projetadas para otimizar a dissipação de calor, promovendo uma distribuição térmica uniforme e eficiente. Além disso, vamos examinar de perto como o software avançado FLOW-3D tem sido uma ferramenta indispensável para modelar e simular a transferência de calor nesse processo. Com sua capacidade de análise detalhada dos padrões de fluxo e temperatura, o FLOW-3D permite uma compreensão mais precisa e uma otimização mais eficaz do resfriamento de metais.

Nesta análise, um circuito de refrigeração foi projetado para reduzir de forma ágil a temperatura do produto feito em aço carbono de 900°C para 100°C, utilizando um molde composto por duas placas feitas de Anviloy. O sistema opera em um ciclo térmico de 60 segundos, com ciclos subsequentes se repetindo até que o molde atinja o equilíbrio térmico.

Dimensões da Geometria


Comprimento

400 mm

Largura

200 mm

Altura

30 mm

Diâmetro do Circuito de Refrigeração

10 mm

Abertura entre placas

4 mm

O Anviloy, reconhecido por sua notável condutividade térmica e resistência ao choque térmico, proporciona uma superfície ideal para uma transferência de calor eficaz. O contato do produto quente com o molde frio desencadeia uma troca de calor rápida, removendo o calor do aço e transferindo-o para o circuito de refrigeração nas placas de Anviloy.


O ciclo térmico tem a duração de 60 segundos, durante os quais a temperatura do produto diminui de forma constante. O molde absorve uma quantidade significativa de calor do aço, reduzindo gradualmente sua temperatura. Conforme o ciclo avança, a temperatura do produto se aproxima do ponto final desejado de 100°C.

À medida que os ciclos progridem, a temperatura do molde converge para o equilíbrio. A alta condutividade térmica do molde em Anviloy garante uma transferência de calor eficiente em todo o sistema, possibilitando o resfriamento rápido do produto.

Condições de contorno


Temperatura do molde

30 °C

Temperatura do Produto

900 °C

Temperatura de Refrigerante

20 °C

Velocidade de Refrigerante

0,5 m/s

Vazão volumétrica de Refrigerante

0,00004 m³/s

Material do Produto

Aço Carbono

Material do molde

Anviloy 1150 ASM

Especificação de malha


Tamanho da célula

2 mm

Número de células

330k

Duração de Simulação

60 Segundos

Os Resultados Obtidos do primeiro ciclo :


O processo de transferência de calor tem início quando o produto transfere energia térmica para o circuito de refrigeração por meio da condução. À medida que o circuito de refrigeração absorve calor, sua temperatura aumenta, chegando a atingir um máximo de 80°C na saída. No entanto, devido ao fluxo contínuo de água e à transferência de calor convectiva entre o circuito de refrigeração e a superfície do produto, a temperatura média do circuito de refrigeração estabiliza em torno de 36°C. A convecção desempenha um papel significativo nesse processo de transferência de calor. À medida que a água flui pelo o circuito de refrigeração, ela leva consigo energia térmica, resfriando eficazmente a superfície do produto. O gradiente de temperatura entre o produto e o circuito de refrigeração impulsiona essa transferência de calor, garantindo que o produto mantenha uma temperatura mais baixa.


Neste vídeo, é possível observar como a temperatura do molde varia conforme ela absorve calor do produto. Inicialmente, a temperatura do molde é de 30°C, mas à medida que o produto transfere calor para o molde, sua temperatura aumenta gradualmente. A temperatura máxima de 100°C é atingida no meio do molde, próximo ao circuito de refrigeração, onde o calor é mais concentrado. Isso ilustra como a distribuição de temperatura ao longo do molde pode variar dependendo do fluxo de calor do produto e da eficiência do sistema de refrigeração.


A transferência de calor entre o circuito de refrigeração, o molde e o produto foi ilustrada no vídeo abaixo. A temperatura média do circuito de refrigeração atingiu 100°C após 60 segundos, enquanto a água aumentou aproximadamente 10°C e a temperatura do molde aumentou para 90°C. Vamos ver os resultados dos outros ciclos. O controle preciso da temperatura é crucial para garantir a qualidade do produto final. A análise desses resultados nos permite entender melhor como o sistema está funcionando e identificar áreas onde melhorias podem ser feitas para otimizar o desempenho térmico.


Após o terceiro ciclo, a temperatura do produto diminuiu de 900°C para 170°C, enquanto a temperatura da água na saída estava a 32°C. Para o molde, a temperatura aumentou de 30°C para 91°C após o primeiro ciclo, de 91°C para 135°C no segundo ciclo e de 135°C para 170°C no final do terceiro ciclo. A variação na temperatura do molde mostra o aumento gradual de temperatura conforme a energia térmica é transferida para o sistema. Essas mudanças térmicas são cruciais para entender a eficiência do sistema e podem ter implicações importantes no projeto e na operação do processo. A diminuição da temperatura do produto pode influenciar diretamente sua qualidade e propriedades, enquanto o aumento da temperatura no molde pode afetar a eficiência do resfriamento e, consequentemente, o desempenho global do sistema.


As seguintes figuras mostram a temperatura média de três ciclos para o molde, o produto e o circuito de refrigeração. Observa-se que a temperatura do circuito de refrigeração aumentou de 20ºC para 27ºC, com uma média de aumento de 2ºC para um ciclo. Enquanto isso, o aumento médio para o molde foi de 70ºC para cada ciclo. A temperatura do produto diminuiu de 900ºC para 97ºC para o primeiro ciclo e, em seguida, para 140ºC para o segundo e 170ºC para o terceiro ciclo. O rápido aumento da temperatura do molde indica uma eficiente condução de calor através dele. Por outro lado, a queda significativa na temperatura do produto ao longo dos ciclos pode indicar uma eficiência no processo de resfriamento ou uma troca térmica adequada entre o produto e o ambiente circundante. Essas observações são cruciais para otimizar o desempenho e a eficiência do sistema térmico em estudo.


Usando o FLOW-3D (x) para alcançar nosso objetivo ?


A otimização no FLOW-3D (x) consiste em ajustar de forma iterativa os parâmetros de design para atingir metas específicas de desempenho, fazendo uso dos resultados das simulações para informar e aprimorar o design. Ao utilizar o FLOW-3D (x), é possível selecionar resultados específicos como entradas para nossa simulação, visando atingir os objetivos de nossa análise, que podem ser relacionados a valores ou escalas (maximização e minimização).


Por exemplo, nesta simulação, desejamos que a temperatura final do produto seja de 75°C, variando a temperatura e o fluxo volumétrico do circuito de refrigeração. Assim, a temperatura e o fluxo volumétrico do circuito de refrigeração foram escolhidos como entradas. Além disso, a temperatura do produto foi definida como 75°C como alvo. Adicionalmente, maximizar a temperatura das placas e minimizar a temperatura do produto também foram adicionados como metas.


Após o processo de otimização, o FLOW-3D (x) irá gerar gráficos entre as variáveis selecionadas para compreender as relações entre elas e determinar qual cenário é o mais adequado para alcançar o objetivo. Essas figuras serão essenciais para visualizar de forma clara como as variáveis ​​interagem entre si e para identificar a melhor abordagem para atingir a meta estabelecida.


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1 Comment

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Guest
Mar 15
Rated 5 out of 5 stars.

Excelente Artigo, Parabéns!!!!

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