Estudo experimental e análise sobre os mecanismos de transferência de calor no resfriamento de chapas metálicas por jato impingente de água

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Helio Enio de Oliveira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Minas Gerais
Brasil
ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
UFMG
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://hdl.handle.net/1843/81771
Resumo: The cooling technique using circular impinging laminar jets is one of the most widely used in steel mills, especially in continuous hot rolling lines for high-quality steel plates. This method produces cooling rates of around 85°C/s, with heat fluxes of around 10 MW/m². To evaluate the phenomena involved, an experimental apparatus was adopted containing a heating furnace, a sample positioning support, a water tank and a U-tube type distributor tube. Stainless steel sheets of series 304 with controlled surface roughness were instrumented with type K thermocouples and heated in a controlled furnace, and were subsequently cooled by a subcooled circular jet of impinging water on their heated surface, varying the initial cooling temperature from 150°C to 1100°C, with water flow measurement. Temperature transients were collected with the aid of a datalogger following heating and cooling cycles. A mathematical model based on the finite element method was used, based on a Python 3.11 code. By solving the inverse heat conduction problem, the surface temperatures, heat fluxes and heat transfer coefficients were calculated for the 750ºC, 900ºC and 1000ºC tests. The regularization parameter by the “Future Steps” method and optimization based on the BOBYQA algorithm were compared to the results obtained experimentally. The impacts of the variation of the initial temperatures of the samples, behavior of the heat flux curves and heat transfer coefficient according to the time variation and in relation to the numerically calculated surface temperature were evaluated. The 220-node mesh used demonstrated an excellent compromise between computational effort and results. The temperatures presented variations of less than 0.22ºC. The study concluded that the heat transfer coefficient is highly influenced by the initial temperature of the samples and physical characteristics of the jet. The maximum value for the heat transfer coefficient and heat flux was reached within the nucleate boiling and transition regions, respectively. This behavior was observed in all three samples. The maximum heat flux reached a value of 1.77 MW/m² for a temperature of 1000ºC. It decreased with decreasing temperature. Cooling rates of 43 ºC/s were observed for a temperature of 1000ºC in the stagnation region.
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To evaluate the phenomena involved, an experimental apparatus was adopted containing a heating furnace, a sample positioning support, a water tank and a U-tube type distributor tube. Stainless steel sheets of series 304 with controlled surface roughness were instrumented with type K thermocouples and heated in a controlled furnace, and were subsequently cooled by a subcooled circular jet of impinging water on their heated surface, varying the initial cooling temperature from 150°C to 1100°C, with water flow measurement. Temperature transients were collected with the aid of a datalogger following heating and cooling cycles. A mathematical model based on the finite element method was used, based on a Python 3.11 code. By solving the inverse heat conduction problem, the surface temperatures, heat fluxes and heat transfer coefficients were calculated for the 750ºC, 900ºC and 1000ºC tests. The regularization parameter by the “Future Steps” method and optimization based on the BOBYQA algorithm were compared to the results obtained experimentally. The impacts of the variation of the initial temperatures of the samples, behavior of the heat flux curves and heat transfer coefficient according to the time variation and in relation to the numerically calculated surface temperature were evaluated. The 220-node mesh used demonstrated an excellent compromise between computational effort and results. The temperatures presented variations of less than 0.22ºC. The study concluded that the heat transfer coefficient is highly influenced by the initial temperature of the samples and physical characteristics of the jet. The maximum value for the heat transfer coefficient and heat flux was reached within the nucleate boiling and transition regions, respectively. This behavior was observed in all three samples. The maximum heat flux reached a value of 1.77 MW/m² for a temperature of 1000ºC. It decreased with decreasing temperature. Cooling rates of 43 ºC/s were observed for a temperature of 1000ºC in the stagnation region.A técnica de resfriamento utilizando jatos laminares impingentes com geometria circular é uma das mais utilizadas em siderúrgicas, especialmente em linhas contínuas de laminação a quente de chapas de aço de alta qualidade. Neste método observa-se taxas de resfriamento em torno de 85ºC/s, com fluxos de calor da ordem de 10 MW/m². Para avaliação dos fenômenos envolvidos, adotou-se um aparato experimental contendo forno de aquecimento, suporte de posicionamento das amostras, tanque de água e tubo distribuidor modelo tipo tubo-U. Foram utilizadas chapas de aço inoxidável série 304 com rugosidade superficial controlada, instrumentadas com termopares tipo K e aquecidas em forno controlado, sendo posteriormente resfriadas por um jato circular subresfriado de água impingente em sua superfície aquecida, variando a temperatura inicial de resfriamento desde 150ºC até 1100ºC, com medição da vazão de água. Coletou-se os transientes de temperatura com auxílio de um datalogger obedecendo ciclos de aquecimento e resfriamento. Utilizou-se um modelo matemático baseado no método dos elementos finitos, a partir de um código em Python 3.11. Por meio da resolução do problema inverso da condução de calor, calculou-se as temperaturas superficiais, fluxos de calor e coeficientes de transferência de calor para os testes de 750ºC, 900ºC e 1000ºC. O parâmetro de regularização pelo método dos “Passos Futuros” e otimização baseada no algoritmo BOBYQA foram comparados aos resultados obtidos experimentalmente. Avaliou-se os impactos da variação das temperaturas iniciais das amostras, comportamento das curvas de fluxo de calor e coeficiente de transferência de calor de acordo com a variação de tempo e em relação à temperatura superficial calculada numericamente. A malha de 220 nós utilizada demonstrou excelente compromisso entre esforço computacional e resultados. As temperaturas apresentaram variações inferiores a 0,22ºC. Concluiu-se que o coeficiente de transferência de calor é altamente influenciado pela temperatura inicial das amostras e características físicas do jato. O valor máximo para o coeficiente de transferência de calor e para o fluxo de calor foi atingido dentro da região de ebulição nucleada e transição, respectivamente. Tal comportamento foi observado nas três amostras. O fluxo de calor máximo alcançou valor de 1,77 MW/m² para a temperatura de 1000ºC e apresentou decréscimo com a redução de temperatura. Observou-se taxas de resfriamento de 43 ºC/s para a temperatura de 1000ºC na região de estagnação.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorUniversidade Federal de Minas GeraisBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICAPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecanicaUFMGPaulo Vinícius Trevizolihttp://lattes.cnpq.br/0421890550183372Willian Moreira DuarteLuiz MachadoEsly Ferreira da Costa JuniorRaphael Nunes de OliveiraHelio Enio de Oliveira2025-04-23T11:49:54Z2025-04-23T11:49:54Z2024-11-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1843/81771porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMG2025-04-23T11:49:54Zoai:repositorio.ufmg.br:1843/81771Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oairepositorio@ufmg.bropendoar:2025-04-23T11:49:54Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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