Modelagem e simulação 3-D com análise energética e exergética para auxiliar no desenvolvimento de projetos de secadores industriais do tipo torre de fluxo misto na secagem de soja

Abstract

RESUMO: O presente estudo desenvolveu um algoritmo para a modelagem e simulação de secadores industriais do tipo Torre de Fluxo Misto, em que é possível proceder com a análise energética e exergética, através do desenvolvimento de uma UDF para acoplar os fenômenos de transferência de calor e massa ao fenômeno de transferência de momento na secagem de soja usando ar como gás aquecido. A secagem foi desenvolvida em um leito fixo considerado um meio poroso, aplicando o modelo matemático de não equilíbrio térmico com a cinética de secagem para camadas delgadas. As equações constitutivas e de propriedades foram desenvolvidas para soja, ar e vapor. O modelo proposto foi resolvido numericamente considerando as equações governantes no domínio 3-D. Para o caso geral da UDF, os resultados simulados foram comparados aos dados experimentais obtidos, no qual o erro relativo (RE) foi menor que 4,9% para umidade da soja e menor que 1,7% para as temperaturas da soja e do ar, enquanto o desvio relativo médio (MRD) foi menor que 4,5 e 1,2% para os mesmos parâmetros respectivos. Com a validação do caso geral, desenvolveu-se uma solução CFD para análise do escoamento de ar do secador industrial, onde, a influência do modelo k-? SST de escoamento turbulento para ar na entrada e saída do secador foi investigada. Para validação do modelo, foi obtido experimentalmente, o perfil de velocidade na entrada do secador, o qual apresentou resultados com boa concordância entre o modelo numérico e experimental com erro de 0,6% para a velocidade média de entrada do secador. Aplicou-se o código CFD do caso geral, e os dados fluidodinâmicos obtidos no secador industrial, de forma a se obter a análise energética e exergética para o elemento de torre de secagem do secador industrial do tipo Torre de Fluxo Misto objeto de estudo desse trabalho. Os resultados obtidos durante a simulação de secagem, demonstram o comportamento esperado para o modelo de não equilíbrio térmico entre o fluído e o sólido. Pode-se observar que a secagem de sementes em um secador de leito fixo não é uniforme, dependendo da geometria e da espessura da camada do leito fixo, no qual suas maiores variações são no eixo predominante do fluxo de ar. Pode-se observar que a eficiência energética decai exponencialmente ao longo do tempo de secagem, enquanto a eficiência exergética tem uma tendência de crescimento, atingindo seu valor máximo e depois entra em declínio como a eficiência energética.

ABSTRACT: This study developed an algorithm for the modeling and simulation of industrial mixed-flow tower dryers, allowing for energy and exergy analysis through the development of a User-Defined Function (UDF) to couple heat and mass transfer phenomena with momentum transfer phenomena in the drying of soybeans using air as the heating gas. The drying process was developed in a fixed bed considered a porous medium, applying the non-equilibrium thermal mathematical model with drying kinetics for thin layers. Constitutive and property equations were developed for soybeans, air, and water vapor. The proposed model was solved numerically considering the governing equations in the 3-D domain. For the general case of the UDF, the simulated results were compared to the experimental data obtained, in which the relative error (RE) was less than 4.9% for soybean moisture content and less than 1.7% for soybean and air temperatures, while the mean relative deviation (MRD) was less than 4.5% and 1.2% for the same respective parameters. With the validation of the general case, a CFD solution was developed for the analysis of the airflow in the industrial dryer, where the influence of the k-? SST turbulent flow model for air at the inlet and outlet of the dryer was investigated. For model validation, the velocity profile at the dryer inlet was experimentally obtained, which showed good agreement between the numerical and experimental results, with an error of 0.6% for the average inlet velocity of the dryer. The general case CFD code was applied, and the fluid dynamic data obtained from the industrial dryer were used to obtain the energy and exergy analysis for the drying tower element of the mixed-flow type industrial dryer studied in this work. The results obtained during the drying simulation demonstrate the expected behavior for the non-thermal equilibrium model between the fluid and the solid. It can be observed that the drying of seeds in a fixed-bed dryer is not uniform, depending on the geometry and thickness of the fixed-bed layer, with the greatest variations occurring along the predominant axis of the airflow. It can be observed that the energy efficiency decreases exponentially over the drying time, while the exergy efficiency tends to increase, reaching its maximum value and then declining like the energy efficiency.