Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico
Ano de defesa: | 2019 |
---|---|
Autor(a) principal: | |
Orientador(a): | |
Banca de defesa: | |
Tipo de documento: | Dissertação |
Tipo de acesso: | Acesso aberto |
Idioma: | por |
Instituição de defesa: |
Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
|
Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
País: |
Não Informado pela instituição
|
Palavras-chave em Português: | |
Palavras-chave em Inglês: | |
Área do conhecimento CNPq: | |
Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562 |
Resumo: | Controlled heating through furnace development has allowed the humankind to mold the matter to obtain various products for several different purposes. However, some of them require high-temperature processes so that the necessary physical and chemical reactions can occur, leading to local temperature increase and high energy consumption. Refractory ceramic materials are used for lining the walls of furnaces, in order to reduce the heat dissipation from the heating chamber, and thus minimizing the required thermal energy for keeping its high temperatures. Nevertheless, there is a huge number of commercial insulating materials available, with several properties ranges, that could be used for furnace design, making the selection of the optimal combination of materials a difficult task. This work explores the possibility of using computational tools for the modeling and optimization, providing data-driven recommendations for furnace designers to choose suitable insulating systems. Thus, an evolutionary screening procedure (ESP), based on finite element method and stochastic optimization by multi-objective genetic algorithms, was developed and evaluated on a case-study related to an electric resistance furnace operating up to 1600$^o$C. The ESP has shown to be very efficient, requiring computations on a very small fraction of the total insulating systems possibilities, 3.8\%, in order to recommend a set of optimized combinations of refractory ceramics materials. The obtained results also allowed further analysis of the optimized set, which highlighted important aspects of furnace designing and insulating product costs and benefits. Additionally, three hyperparameters of the proposed algorithm were optimized such that its search effectiveness was improved while reducing execution time. |
id |
SCAR_b65e6b0156a95963211417a722604657 |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16562 |
network_acronym_str |
SCAR |
network_name_str |
Repositório Institucional da UFSCAR |
repository_id_str |
|
spelling |
Santos, Denis PradoPandolfelli, Victor Carloshttp://lattes.cnpq.br/7369376873984839Mello, Rodrigo Fernandes dehttp://lattes.cnpq.br/6840478133476887http://lattes.cnpq.br/17908206629497442022-09-05T13:00:17Z2022-09-05T13:00:17Z2019-12-04SANTOS, Denis Prado. Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico. 2019. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562Controlled heating through furnace development has allowed the humankind to mold the matter to obtain various products for several different purposes. However, some of them require high-temperature processes so that the necessary physical and chemical reactions can occur, leading to local temperature increase and high energy consumption. Refractory ceramic materials are used for lining the walls of furnaces, in order to reduce the heat dissipation from the heating chamber, and thus minimizing the required thermal energy for keeping its high temperatures. Nevertheless, there is a huge number of commercial insulating materials available, with several properties ranges, that could be used for furnace design, making the selection of the optimal combination of materials a difficult task. This work explores the possibility of using computational tools for the modeling and optimization, providing data-driven recommendations for furnace designers to choose suitable insulating systems. Thus, an evolutionary screening procedure (ESP), based on finite element method and stochastic optimization by multi-objective genetic algorithms, was developed and evaluated on a case-study related to an electric resistance furnace operating up to 1600$^o$C. The ESP has shown to be very efficient, requiring computations on a very small fraction of the total insulating systems possibilities, 3.8\%, in order to recommend a set of optimized combinations of refractory ceramics materials. The obtained results also allowed further analysis of the optimized set, which highlighted important aspects of furnace designing and insulating product costs and benefits. Additionally, three hyperparameters of the proposed algorithm were optimized such that its search effectiveness was improved while reducing execution time.O aquecimento controlado por meio do desenvolvimento de fornos permite moldar a matéria para obter produtos com os mais variados fins. Alguns destes produtos, no entanto, exigem altas temperaturas de processo para que ocorram as devidas transformações físicas e químicas e, portanto, consomem grande quantidade de energia e causam o aumento da temperatura do ambiente de trabalho.Materiais cerâmicos refratários são utilizados nos revestimentos de fornos para reduzir a dissipação do calor a partir da câmara interna, e assim diminuir tanto o consumo de energia quanto a temperatura externa da câmara. Há uma grande quantidade de produtos comerciais disponíveis com as mais variadas propriedades para se projetar tal isolamento térmico, o que dificulta a seleção de materiais em busca da redução simultânea da temperatura externa atingida pelos fornos e do custo total de revestimento.Este trabalho explora a possibilidade de usar ferramentas computacionais de modelagem e otimização com o objetivo de auxiliar a tomada de decisão relativa ao projeto desses sistemas de isolamento térmico. Assim, um procedimento de filtragem evolutiva baseada em método dos elementos finitos e otimização estocástica por algoritmos genéticos multi-objetivo foi desenvolvido e avaliado no estudo de caso de um forno elétrico resistivo que opera até 1600$^o$C.O procedimento de filtragem evolutiva se mostrou bastante eficiente, necessitando simular apenas 3.8\% de todas as possibilidades de configurações de revestimento para retornar uma lista de sistemas de isolamento otimizados. Também permitiu análises posteriores dessa lista de modo a identificar, por exemplo, os produtos de maior custo-benefício.Posteriormente, escolheu-se três hiperparâmetros do modelo para realizar-se um estudo de parametrização, com o objetivo de aumentar sua eficácia de busca por soluções ótimas e reduzir o tempo necessário de execução, no qual uma combinação foi melhor sucedida em três cenários distintos de preferência.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)169129/2017-9porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMateriais cerâmicos refratáriosIsolantes térmicosForno elétrico resistivoMétodo dos elementos finitosAlgoritmos genéticosInteligência computacionalSeleção de materiaisRefractory ceramic materialsThermal insulatorsElectric resistance furnaceFinite element methodGenetic algorithmsComputational inteligenceMaterials selectionENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSSeleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmicoMulti-component insulating systems selection for high temperature furnaces based on thermal performanceinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDenis Prado Santos - Dissertação.pdfDenis Prado Santos - Dissertação.pdfDissertação de mestrado.application/pdf6351284https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/1/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf35b5f81d8c1b7892c9499e100037e9c5MD51BCO carta comprovante autoarquivamento .pdfBCO carta comprovante autoarquivamento .pdfCarta comprovanteapplication/pdf306277https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdfe4daa94e503504153964a7460048eb0aMD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTDenis Prado Santos - Dissertação.pdf.txtDenis Prado Santos - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain188763https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/4/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.txt984cbe04838c9f747c26cb1680e50738MD54BCO carta comprovante autoarquivamento .pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento .pdf.txtExtracted texttext/plain1506https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdf.txt8bdd13c5bf332817a68805a2b9ef8fdcMD56THUMBNAILDenis Prado Santos - Dissertação.pdf.jpgDenis Prado Santos - Dissertação.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6426https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/5/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.jpg83c8afdee56b3b8760a53ebed4c141a4MD55BCO carta comprovante autoarquivamento .pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento .pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9879https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdf.jpg9557f47896478c166f89f4191d3385d4MD57ufscar/165622022-09-06 03:41:05.338oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16562Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-05-25T13:04:18.385874Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
dc.title.por.fl_str_mv |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv |
Multi-component insulating systems selection for high temperature furnaces based on thermal performance |
title |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
spellingShingle |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico Santos, Denis Prado Materiais cerâmicos refratários Isolantes térmicos Forno elétrico resistivo Método dos elementos finitos Algoritmos genéticos Inteligência computacional Seleção de materiais Refractory ceramic materials Thermal insulators Electric resistance furnace Finite element method Genetic algorithms Computational inteligence Materials selection ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS |
title_short |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
title_full |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
title_fullStr |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
title_full_unstemmed |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
title_sort |
Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico |
author |
Santos, Denis Prado |
author_facet |
Santos, Denis Prado |
author_role |
author |
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/1790820662949744 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Santos, Denis Prado |
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Pandolfelli, Victor Carlos |
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/7369376873984839 |
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv |
Mello, Rodrigo Fernandes de |
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/6840478133476887 |
contributor_str_mv |
Pandolfelli, Victor Carlos Mello, Rodrigo Fernandes de |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Materiais cerâmicos refratários Isolantes térmicos Forno elétrico resistivo Método dos elementos finitos Algoritmos genéticos Inteligência computacional Seleção de materiais |
topic |
Materiais cerâmicos refratários Isolantes térmicos Forno elétrico resistivo Método dos elementos finitos Algoritmos genéticos Inteligência computacional Seleção de materiais Refractory ceramic materials Thermal insulators Electric resistance furnace Finite element method Genetic algorithms Computational inteligence Materials selection ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS |
dc.subject.eng.fl_str_mv |
Refractory ceramic materials Thermal insulators Electric resistance furnace Finite element method Genetic algorithms Computational inteligence Materials selection |
dc.subject.cnpq.fl_str_mv |
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS |
description |
Controlled heating through furnace development has allowed the humankind to mold the matter to obtain various products for several different purposes. However, some of them require high-temperature processes so that the necessary physical and chemical reactions can occur, leading to local temperature increase and high energy consumption. Refractory ceramic materials are used for lining the walls of furnaces, in order to reduce the heat dissipation from the heating chamber, and thus minimizing the required thermal energy for keeping its high temperatures. Nevertheless, there is a huge number of commercial insulating materials available, with several properties ranges, that could be used for furnace design, making the selection of the optimal combination of materials a difficult task. This work explores the possibility of using computational tools for the modeling and optimization, providing data-driven recommendations for furnace designers to choose suitable insulating systems. Thus, an evolutionary screening procedure (ESP), based on finite element method and stochastic optimization by multi-objective genetic algorithms, was developed and evaluated on a case-study related to an electric resistance furnace operating up to 1600$^o$C. The ESP has shown to be very efficient, requiring computations on a very small fraction of the total insulating systems possibilities, 3.8\%, in order to recommend a set of optimized combinations of refractory ceramics materials. The obtained results also allowed further analysis of the optimized set, which highlighted important aspects of furnace designing and insulating product costs and benefits. Additionally, three hyperparameters of the proposed algorithm were optimized such that its search effectiveness was improved while reducing execution time. |
publishDate |
2019 |
dc.date.issued.fl_str_mv |
2019-12-04 |
dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2022-09-05T13:00:17Z |
dc.date.available.fl_str_mv |
2022-09-05T13:00:17Z |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
format |
masterThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.citation.fl_str_mv |
SANTOS, Denis Prado. Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico. 2019. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562. |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562 |
identifier_str_mv |
SANTOS, Denis Prado. Seleção de sistemas de isolamento térmico multi-componentes para fornos de altas temperaturas baseada no desempenho térmico. 2019. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562. |
url |
https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16562 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ info:eu-repo/semantics/openAccess |
rights_invalid_str_mv |
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de São Carlos Câmpus São Carlos |
dc.publisher.program.fl_str_mv |
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM |
dc.publisher.initials.fl_str_mv |
UFSCar |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de São Carlos Câmpus São Carlos |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFSCAR instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) instacron:UFSCAR |
instname_str |
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) |
instacron_str |
UFSCAR |
institution |
UFSCAR |
reponame_str |
Repositório Institucional da UFSCAR |
collection |
Repositório Institucional da UFSCAR |
bitstream.url.fl_str_mv |
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/1/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdf https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/3/license_rdf https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/4/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.txt https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdf.txt https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/5/Denis%20Prado%20Santos%20-%20Disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf.jpg https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16562/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20.pdf.jpg |
bitstream.checksum.fl_str_mv |
35b5f81d8c1b7892c9499e100037e9c5 e4daa94e503504153964a7460048eb0a e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 984cbe04838c9f747c26cb1680e50738 8bdd13c5bf332817a68805a2b9ef8fdc 83c8afdee56b3b8760a53ebed4c141a4 9557f47896478c166f89f4191d3385d4 |
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 MD5 MD5 MD5 MD5 MD5 MD5 |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) |
repository.mail.fl_str_mv |
|
_version_ |
1767351182765850624 |