O objetivo desta dissertação é aplicar as abordagens integral e diferencial à análise de desempenho de um determinado conjunto de queimador e forno petroquímico. Estas abordagens foram aplicadas a diversas condições operacionais que incluíram variações de: potência fornecida, excesso de ar e número de "swirl". Somente os aspectos relativos à câmara de combustão foram considerados neste trabalho. Portanto, os fenômenos que ocorrem no interior dos tubos foram exclusos. O modelo integral adotado neste trabalho foi o de 1 Zona de Gás de Hottel [1,28]. O código diferencial utilizado foi o do programa de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) FLUENT 5.5. As informações fornecidas pelas abordagens integral e diferencial, assim como sua utilidade e necessidade foram discutidas. Os fornos petroquímicos foram apresentados através de sua classificação quanto ao aspecto construtivo e tipo de serviço, e através da descrição de seus principais componentes. Os fenômenos envolvidos na câmara de combustão: turbulência, radiação e reação química foram descritos através de seus respectivos modelos. As técnicas numéricas de solução destes modelos também foram apresentadas. O caso estudado corresponde ao da fornalha da HTFS / NEL, cujos aparatos e resultados experimentais e de simulação numérica estão descritos nas referências [11, 33, 34]. A fornalha estudada é composta por uma câmara cilíndrica vertical com 1 m de diâmetro interno e 3 m de altura. As paredes desta fornalha foram resfriadas por seis camisas d'água. O queimador, que utilizou gás natural, estava instalado na soleira. Além dos dados experimentais desta fornalha, os dados experimentais de um modelo isotérmico também foram utilizados. Este modelo isotérmico foi obtido através da aplicação do critério de Thring; Newby [43], conforme referências [8, 9].Os dados experimentais utilizados nesta dissertação foram: o campo de velocidades, os fluxos de calor total em cada camisa d'água e a temperatura de saída dos gases efluentes. Utilizando estes dados experimentais como referência, diversas variações de modelos diferenciais e integrais foram analisadas. As variações dos modelos diferenciais incluíram refinamento da malha e modelos de turbulência. Esta análise permitiu afirmações a respeito da confiabilidade e da faixa de aplicação dos modelos diferenciais e integrais. A principal conclusão deste trabalho foi que o modelo integral representa a taxa de calor transferida para a parede melhor do que o modelo diferencial. Contudo, esta conclusão é específica para os casos estudados e não pode ser generalizada para outros. Esta conclusão é específica porque o desempenho do modelo diferencial foi limitado pelo modelo numérico utilizado e pela inadequação das medições experimentais e critérios de similaridade do escoamento.

The aim of this MSc thesis is to apply the integral and differential approaches to the analysis of performance of a specific set of burner and fired furnace. These approaches were applied to several operational conditions that included variations of: power supply, excess air and swirl number. Only the aspects related to the combustion chamber were considered in this work. Therefore, the phenomena inside the tubes were excluded. The integral model adopted in this work was the Hottel's 1 Zone Gas [1,28]. The differential code used was the computational fluid dynamics (CFD) program FLUENT 5.5. The information supplied by the integral and differential approaches, as well as its utility and necessity were discussed. The fired furnaces were presented through their classification, according to design and types of services, and also through the description of their main components. The phenomena involved in the combustion chamber: turbulence, radiation, and chemical reaction were described through their respective models. The numerical solution techniques of these models were also presented. The studied case corresponds to the HTFS / NEL furnace, whose facilities and experimental results were described in the references [11, 33, 34]. The studied furnace is composed of a cylindrical chamber with 1 m in diameter and 3 m height. The walls of this furnace were cooled by six water jackets. The burner, that used natural gas, was mounted on the floor. Besides the experimental data of this furnace, experimental data of an isothermal model were also utilized. This isothermal model was obtained by applying the criterion of Thring; Newby [43], according to reference [8, 9]. The experimental data utilized in this MSc thesis were: velocity field, total heat flux in each water jacket and flue gas temperature. Using these experimental data as reference, severaldifferential and integral models variations was analyzed. The differential model variations included grid refinement and turbulence models. This analysis allowed statements concerning the reliability and the applications range of the integral and differential models to be made. The main conclusion of this work was that the integral model predict the wall heat flux better than the differential model. However, this conclusion is specific to the studied cases and can not be generalized to others. This conclusion is specific because the performance of the differential model was limited by the numerical models used and by the inadequacies of experimental measurements and flow similarity criteria.