Aplicação de simulação numérica para desenvolvimento de processo de resfriamento por convecção forçada

Abstract

Este trabalho consiste no desenvolvimento do processo de convecção forçada via simulação numérica, para resolução de problema de transferência de calor em componentes de eixo cardan. Para uma melhor eficiência energética, aproveitando o calor de forjamento e atribuir propriedades mecânicas e metalúrgicas (dureza e microestrutura) para um aço com 0,4% de Carbono e ao Boro. Foram feitas simulações de Computational Fluid Dynamic - CFD para entendimento das linhas de corrente dentro de um conduto onde as peças passaram após processo de conformação a quente. Por conseguinte, com a velocidade do ar e o coeficiente convectivo extraidos das simulações, calculou-se a transferência de calor, para entendimento de quanto tempo era necessário deixar a peça exposta ao processo e qual seria a temperatura de saída. Assim sendo, foi feito um protótipo para validar os resultados experimentalmente e sua taxa de resfriamento para atender propriedades metalúrgicas (durezas de 240 Hardness Brinell e microestrutura perlíta e ferrita). A diferença entre as velocidades entre protótipo e simulação foi de 3,58%. Já o coeficiente convectivo obtido na simulação de convecção foi de 43,53 W/m²K e com isso, a taxa de resfriamento calculada foi de 1,05°C/s. Esse estudo foi importante para avaliação de um protótipo construído e que resultou em durezas médias do componente mecânico de 241 HB e microestruturas perlíticas ferríticas após o processo de resfriamento.

This work consists of the development of the convection process tested via numerical simulation, to solve a heat transfer problem in the automotive industry. For better energy efficiency, taking advantage of forging heat and planning mechanical and metallurgical properties (hardness and microstructure) for a steel with 0.4% carbon and boron. Computational Fluid Dynamics - CFD simulations were made to understand the streamlines inside a conduit where the parts passed after the hot forming process. Therefore, with the air velocity and the convective coefficient extracted from the simulations, the heat transfer was calculated, in order to understand how long it was necessary to leave the part exposed to the process and what the outlet temperature would be. Therefore, a prototype was made to validate the results experimentally and their cooling rates to meet metallurgical properties. The difference between speeds between prototype and simulation was 3.58%. The convective coefficient obtained in the convection simulation was 43.53 W/m²K and, therefore, the calculated cooling rate was 1.05°C/s. This study was important for the evaluation of a built prototype that was tested on average hardness of the mechanical component of 241 HB and ferritic pearlitic microstructures after the cooling process.