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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.97.2020.tde-05082021-175041
Documento
Autor
Nombre completo
Jorge Juárez Trujillo
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
Lorena, 2020
Director
Tribunal
Castro, José Adilson de (Presidente)
Baldo, João Baptista
Francisco, Alexandre Santos
Innocentini, Murilo Daniel de Mello
Título en portugués
Contribuições para a determinação de curvas de secagem de refratários monolíticos com auxílio experimental e de simulação numérica
Palabras clave en portugués
Concreto refratário
Medição de pressão de vapor nos poros
Meio poroso
Método dos volumes finitos
Modelo matemático
Secagem
Transporte de calor e massa
Resumen en portugués
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.
Título en inglés
Contributions for the determination of monolithic refractories drying schedules aided by experiments and numerical simulation
Palabras clave en inglés
Drying
Finite volume method
Heat and mass transport
Mathematical model
Pore vapour pressure measurement
Porous media
Refractory concrete
Resumen en inglés
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.
 
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Fecha de Publicación
2021-08-05
 
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