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Utilizando o FLOW-3D (x) para otimização de transferência e troca de calor no Processo de Têmpera 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

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.


Ciclo térmico e Equilíbrio térmico :


Ao resfriar um produto com uma temperatura tão alta quanto 900°C, é crucial empregar técnicas de resfriamento eficazes para evitar um resfriamento rápido, o que pode levar a propriedades indesejadas do material, como a fragilidade. Um método comum é colocar o produto aquecido entre duas placas com um meio de resfriamento controlado fluindo por um tubo contido. Neste cenário, a água a uma temperatura de 20°C atua como refrigerante dentro do tubo, facilitando o processo de resfriamento.

  • Ciclo Térmico:

O processo de resfriamento envolve submeter o produto, posicionado entre duas placas, a um ciclo térmico específico. Neste caso, emprega-se um ciclo térmico de 60 segundos. Durante este ciclo, o produto passa por um resfriamento controlado ao absorver calor das placas e transferi-lo para a água circundante dentro do tubo. A água, estando a uma temperatura mais baixa que o produto, facilita a transferência de calor, resultando em uma diminuição gradual da temperatura do produto.

  • Equilíbrio Térmico:

Após passar por múltiplos ciclos térmicos, as placas e o produto eventualmente alcançam um estado de equilíbrio térmico. Equilíbrio térmico refere-se a uma condição em que a temperatura em todo o sistema se estabiliza, indicando que a transferência de calor entre o produto e o ambiente circundante atingiu um equilíbrio.

No contexto do cenário descrito, após 10 ciclos térmicos, as placas e o produto alcançarão o equilíbrio térmico, significando que suas temperaturas se estabilizarão. Esse equilíbrio é crucial para garantir uniformidade nas propriedades do material e para alcançar as características mecânicas desejadas por meio dos processos de têmpera e endurecimento. Em resumo, a combinação de processos de têmpera e endurecimento, juntamente com técnicas de resfriamento controlado, como o uso da água como refrigerante entre duas placas, garante que o produto passe por um resfriamento gradual para alcançar as propriedades do material desejadas, resultando em um desempenho mecânico aprimorado.

Temperatura Média do Molde
Temperatura Média do Molde
A temperatura média das placas, começando em 90°C no primeiro ciclo e aumentando para 280°C após 11 ciclos térmicos, demonstra um padrão de aquecimento gradual e estabilização ao longo dos ciclos sucessivos. Essa tendência pode ser visualizada como uma curva que tende a se estabilizar ao longo do tempo.

Inicialmente, nos primeiros ciclos, a temperatura das placas aumenta rapidamente à medida que absorvem calor do produto quente situado entre elas. Conforme os ciclos avançam, a taxa de aumento da temperatura começa a diminuir à medida que as placas alcançam um equilíbrio térmico com o ambiente circundante e a água de refrigeração.

Durante cada ciclo, as placas absorvem calor do produto e o transferem para a água de refrigeração, fazendo com que sua temperatura aumente. No entanto, à medida que o número de ciclos aumenta, a taxa de absorção de calor diminui devido à diminuição da diferença de temperatura entre o produto e as placas. Além disso, a dissipação de calor para o ambiente circundante e a água de refrigeração também contribuem para moderar o aumento da temperatura.

Como resultado, a curva que representa a temperatura média das placas exibe uma tendência à estabilização ao longo do tempo. Após um certo número de ciclos, geralmente observado em torno de 11 ciclos neste cenário, a taxa de aumento da temperatura diminui significativamente, e a temperatura atinge um valor relativamente estável. Essa temperatura estável reflete o equilíbrio entre a absorção de calor do produto e a dissipação de calor para o ambiente circundante, indicando que o sistema alcançou um estado de equilíbrio térmico.

Em termos práticos, essa estabilização da temperatura média das placas indica que o processo de ciclagem térmica alcançou uma condição de aquecimento consistente e controlada, o que é crucial para garantir a uniformidade nos processos de têmpera e endurecimento do material em tratamento.

Temperatura Média do Produto
A temperatura média do produto, começando em 900°C no primeiro ciclo e diminuindo para 150°C após o ciclo térmico inicial, exibe um padrão de resfriamento gradual e estabilização ao longo dos ciclos subsequentes. Essa tendência pode ser visualizada como uma curva que tende a se estabilizar ao longo do tempo.

Durante o primeiro ciclo térmico, o produto experimenta um resfriamento rápido enquanto absorve calor das placas circundantes e transfere-o para a água de resfriamento que flui pelo tubo. Esse resfriamento rápido causa uma queda significativa na temperatura de 900°C para 150°C até o final do primeiro ciclo.

Conforme os ciclos subsequentes avançam, a taxa de diminuição da temperatura diminui à medida que o produto se aproxima do equilíbrio térmico com o ambiente circundante e a água de resfriamento. O processo de resfriamento continua durante cada ciclo, mas a diminuição da diferença de temperatura entre o produto e as placas, juntamente com a dissipação de calor para o ambiente, gradualmente modera a taxa de diminuição da temperatura.

Após vários ciclos, geralmente observados por volta do 11º ciclo nesse cenário, a taxa de diminuição da temperatura torna-se significativamente mais lenta, e a temperatura do produto atinge um valor relativamente estável. Essa temperatura estável representa o equilíbrio entre a absorção de calor do produto e a dissipação de calor para o ambiente, indicando que o sistema atingiu um estado de equilíbrio térmico.

Temperatura Média do Refrigerante
A temperatura média do refrigerante, neste caso, água, segue um padrão de aquecimento gradual e estabilização ao longo de ciclos térmicos sucessivos. Iniciando a 22°C no primeiro ciclo, ela aumenta para 24,5°C após o ciclo inicial e continua a subir para 28°C após 11 ciclos térmicos. Essa tendência é representada por uma curva que tende a estabilizar ao longo do tempo.

À medida que a água flui pelo tubo com uma velocidade de 0,5 m/s, ela entra em contato com o produto aquecido situado entre as placas. Durante o primeiro ciclo térmico, a água absorve calor do produto, fazendo com que sua temperatura aumente. No entanto, devido à temperatura inicial relativamente baixa de 22°C, o aumento de temperatura inicial é moderado, resultando na água atingindo 24,5°C no final do primeiro ciclo.

Em ciclos subsequentes, a água continua a absorver calor do produto enquanto flui pelo tubo. A velocidade da água garante uma transferência de calor eficiente, contribuindo para o aumento gradual da temperatura. Conforme os ciclos progridem, a temperatura da água sobe ainda mais, alcançando 28°C após 11 ciclos térmicos.

A curva que representa a temperatura média da água tende a estabilizar ao longo do tempo. Essa estabilização ocorre à medida que a água atinge um equilíbrio térmico com o ambiente circundante e o produto aquecido. A taxa de aumento de temperatura diminui a cada ciclo, refletindo a diminuição da diferença de temperatura entre o produto e a água, bem como a dissipação de calor para o ambiente.

Após vários ciclos, geralmente observados por volta de 11 ciclos neste cenário, a temperatura da água atinge um valor relativamente estável de 28°C. Essa temperatura estável indica que os processos de absorção e dissipação de calor alcançaram um equilíbrio, significando equilíbrio térmico dentro do sistema.

Em termos práticos, a estabilização da temperatura média da água garante uma transferência de calor consistente e controlada, contribuindo para a eficácia do processo de resfriamento. Isso permite um controle preciso sobre a taxa de resfriamento, o que é crucial para alcançar as propriedades do material desejadas durante os processos de têmpera e endurecimento.


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