Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Jorge Juárez Trujillo
Orientador(a): Fernando Vernilli Junior
Banca de defesa: João Baptista Baldo, Alexandre Santos Francisco, Murilo Daniel de Mello Innocentini
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Materiais
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-175041
Resumo: A tecnologia dos concretos refratários tem gerado produtos com maior densidade e menor porosidade para aumentar sua resistência a altas temperaturas e abrasão, no entanto, sua permeabilidade também foi reduzida, apresentando um problema na operação de secagem, uma vez que aumentou o risco de trincas ou explosões que teoricamente é função da combinação das tensões dos gradientes de expansão térmica e da pressão de vapor nos poros. Por segurança, são utilizadas curvas de aquecimento conservadoras e demoradas com determinação de taxas de aquecimento e isotermas baseadas em conhecimentos empíricos. No presente trabalho foi pesquisado experimental e numericamente o transporte de calor e massa dentro do concreto refratário durante a secagem até 350°C e analisado o comportamento do material para a eliminação da água livre. Foram revisadas detalhadamente as metodologias e arranjos experimentais disponíveis na literatura focada na medição de pressão de vapor nos poros. Desenvolveu-se um dispositivo e um sensor para medir, simultaneamente, as variações de temperatura e pressão de vapor em blocos de concreto submetidos a estresse térmico, simulando as condições de contorno de um revestimento de concreto de algum forno hipotético. Revisaram-se os modelos matemáticos disponíveis na literatura. Por praticidade foi aplicado um modelo clássico para simular o fenômeno de secagem; as equações diferenciais foram manipuladas e resolvidas, discretizando-se um domínio tridimensional e utilizando-se o Método dos Volumes Finitos; já que por ser conservador, representa a opção mais apropriada para a solução deste tipo de problema, ao invés do tradicionalmente utilizado Método dos Elementos Finitos. Os resultados experimentais obtidos foram úteis para comparar com dados de modelos matemáticos e de outros dispositivos experimentais da literatura, mostrando a falta de unificação nas metodologias. Os resultados numéricos mostraram coerências e divergências com o comportamento teoricamente esperado nos resultados experimentais, confirmando a conveniência do uso da formulação de isotermas de dessorção específicas para concretos refratários, o uso de métodos adequados para a caracterização dos parâmetros que se tornam função da temperatura, como a permeabilidade e a condutividade térmica e a necessidade de maior desenvolvimento e padronização dos instrumentos para medir a pressão de vapor. A integração dos resultados foi útil para a análise das curvas de secagem atualmente utilizadas na indústria e para discutir possíveis atualizações que poderiam aumentar a competitividade em termos de tempo e segurança.
id USP_711c9a0f076be63cedc1a17d3b5506a5
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-05082021-175041
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str
spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica Contributions for the determination of monolithic refractories drying schedules aided by experiments and numerical simulation 2020-03-05Fernando Vernilli JuniorJosé Adilson de CastroJoão Baptista BaldoAlexandre Santos FranciscoMurilo Daniel de Mello InnocentiniJorge Juárez TrujilloUniversidade de São PauloEngenharia de MateriaisUSPBR Concreto refratário Drying Finite volume method Heat and mass transport Mathematical model Medição de pressão de vapor nos poros Meio poroso Método dos volumes finitos Modelo matemático Pore vapour pressure measurement Porous media Refractory concrete Secagem Transporte de calor e massa A tecnologia dos concretos refratários tem gerado produtos com maior densidade e menor porosidade para aumentar sua resistência a altas temperaturas e abrasão, no entanto, sua permeabilidade também foi reduzida, apresentando um problema na operação de secagem, uma vez que aumentou o risco de trincas ou explosões que teoricamente é função da combinação das tensões dos gradientes de expansão térmica e da pressão de vapor nos poros. Por segurança, são utilizadas curvas de aquecimento conservadoras e demoradas com determinação de taxas de aquecimento e isotermas baseadas em conhecimentos empíricos. No presente trabalho foi pesquisado experimental e numericamente o transporte de calor e massa dentro do concreto refratário durante a secagem até 350°C e analisado o comportamento do material para a eliminação da água livre. Foram revisadas detalhadamente as metodologias e arranjos experimentais disponíveis na literatura focada na medição de pressão de vapor nos poros. Desenvolveu-se um dispositivo e um sensor para medir, simultaneamente, as variações de temperatura e pressão de vapor em blocos de concreto submetidos a estresse térmico, simulando as condições de contorno de um revestimento de concreto de algum forno hipotético. Revisaram-se os modelos matemáticos disponíveis na literatura. Por praticidade foi aplicado um modelo clássico para simular o fenômeno de secagem; as equações diferenciais foram manipuladas e resolvidas, discretizando-se um domínio tridimensional e utilizando-se o Método dos Volumes Finitos; já que por ser conservador, representa a opção mais apropriada para a solução deste tipo de problema, ao invés do tradicionalmente utilizado Método dos Elementos Finitos. Os resultados experimentais obtidos foram úteis para comparar com dados de modelos matemáticos e de outros dispositivos experimentais da literatura, mostrando a falta de unificação nas metodologias. Os resultados numéricos mostraram coerências e divergências com o comportamento teoricamente esperado nos resultados experimentais, confirmando a conveniência do uso da formulação de isotermas de dessorção específicas para concretos refratários, o uso de métodos adequados para a caracterização dos parâmetros que se tornam função da temperatura, como a permeabilidade e a condutividade térmica e a necessidade de maior desenvolvimento e padronização dos instrumentos para medir a pressão de vapor. A integração dos resultados foi útil para a análise das curvas de secagem atualmente utilizadas na indústria e para discutir possíveis atualizações que poderiam aumentar a competitividade em termos de tempo e segurança. The technology of refractory castables has generated products with higher density and less porosity to increase their resistance to high temperatures and abrasion; however, its permeability has also been reduced presenting a problem in the drying operation since it increased the risk of spalling and explosions that are theoretically a function of the combination of tensile stresses generated by thermal expansion gradients and pore vapour pressures. For safety, the use of conservative and time-consuming heating schedules determined by empirical knowledge is a common practice. In this work, it was investigated experimentally and numerically the transport of heat and mass inside refractory concrete during drying up to 350°C and analyzed the behaviour of the material in the elimination of free water. The methodologies and experimental arrangements available in the literature focused on pore vapour pressure measurement were reviewed in detail. It was developed a device and a sensor for simultaneous measurement of variations in temperature and internal vapour pressures in concrete blocks subjected to controlled thermal stress with isothermal plateaus, simulating the specific boundary conditions of a hypothetical furnace concrete coating. The mathematical models available in the literature were reviewed, for convenience, a classic model was applied to develop simulations of the phenomenon; the differential equations were manipulated and solved by discretizing a three-dimensional domain using the Finite Volume Method; since it is conservative, it represents the most appropriate option for solving this type of problem; instead of the traditionally used Finite Element Method. The experimental results obtained were useful to compare with data from mathematical models and experimental arrangements in the literature, showing the lack of unification in the methodologies. The numerical results showed congruences and divergences with the theoretically expected behaviour in the experimental results, confirming the convenience of using the formulations of specific desorption isotherms for refractory concretes, the use of appropriate characterization methods for determining the parameters that become a function of temperature, such as permeability and thermal conductivity and the need for further development and standardization of instruments to measure vapour pressure. The integration of the results was useful for the analysis of drying curves currently used in the industry and to discuss possible updates that could increase competitiveness in terms of time and safety. https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-175041info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2023-12-21T18:16:33Zoai:teses.usp.br:tde-05082021-175041Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212021-08-05T20:52:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.pt.fl_str_mv Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
dc.title.alternative.en.fl_str_mv Contributions for the determination of monolithic refractories drying schedules aided by experiments and numerical simulation
title Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
spellingShingle Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
Jorge Juárez Trujillo
title_short Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
title_full Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
title_fullStr Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
title_full_unstemmed Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
title_sort Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
author Jorge Juárez Trujillo
author_facet Jorge Juárez Trujillo
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Fernando Vernilli Junior
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv José Adilson de Castro
dc.contributor.referee1.fl_str_mv João Baptista Baldo
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Alexandre Santos Francisco
dc.contributor.referee3.fl_str_mv Murilo Daniel de Mello Innocentini
dc.contributor.author.fl_str_mv Jorge Juárez Trujillo
contributor_str_mv Fernando Vernilli Junior
José Adilson de Castro
João Baptista Baldo
Alexandre Santos Francisco
Murilo Daniel de Mello Innocentini
description A tecnologia dos concretos refratários tem gerado produtos com maior densidade e menor porosidade para aumentar sua resistência a altas temperaturas e abrasão, no entanto, sua permeabilidade também foi reduzida, apresentando um problema na operação de secagem, uma vez que aumentou o risco de trincas ou explosões que teoricamente é função da combinação das tensões dos gradientes de expansão térmica e da pressão de vapor nos poros. Por segurança, são utilizadas curvas de aquecimento conservadoras e demoradas com determinação de taxas de aquecimento e isotermas baseadas em conhecimentos empíricos. No presente trabalho foi pesquisado experimental e numericamente o transporte de calor e massa dentro do concreto refratário durante a secagem até 350°C e analisado o comportamento do material para a eliminação da água livre. Foram revisadas detalhadamente as metodologias e arranjos experimentais disponíveis na literatura focada na medição de pressão de vapor nos poros. Desenvolveu-se um dispositivo e um sensor para medir, simultaneamente, as variações de temperatura e pressão de vapor em blocos de concreto submetidos a estresse térmico, simulando as condições de contorno de um revestimento de concreto de algum forno hipotético. Revisaram-se os modelos matemáticos disponíveis na literatura. Por praticidade foi aplicado um modelo clássico para simular o fenômeno de secagem; as equações diferenciais foram manipuladas e resolvidas, discretizando-se um domínio tridimensional e utilizando-se o Método dos Volumes Finitos; já que por ser conservador, representa a opção mais apropriada para a solução deste tipo de problema, ao invés do tradicionalmente utilizado Método dos Elementos Finitos. Os resultados experimentais obtidos foram úteis para comparar com dados de modelos matemáticos e de outros dispositivos experimentais da literatura, mostrando a falta de unificação nas metodologias. Os resultados numéricos mostraram coerências e divergências com o comportamento teoricamente esperado nos resultados experimentais, confirmando a conveniência do uso da formulação de isotermas de dessorção específicas para concretos refratários, o uso de métodos adequados para a caracterização dos parâmetros que se tornam função da temperatura, como a permeabilidade e a condutividade térmica e a necessidade de maior desenvolvimento e padronização dos instrumentos para medir a pressão de vapor. A integração dos resultados foi útil para a análise das curvas de secagem atualmente utilizadas na indústria e para discutir possíveis atualizações que poderiam aumentar a competitividade em termos de tempo e segurança.
publishDate 2020
dc.date.issued.fl_str_mv 2020-03-05
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-175041
url https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-175041
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade de São Paulo
dc.publisher.program.fl_str_mv Engenharia de Materiais
dc.publisher.initials.fl_str_mv USP
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
publisher.none.fl_str_mv Universidade de São Paulo
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1786376583354777600