Projeto e simulação numérica de um tubo radiante tipo duplo-P com recirculação interna de gases de combustão

Abstract

Tubos radiantes são amplamente utilizados em fornos de tratamento térmico e em outras aplicações. Em operação, normalmente utilizam gás natural como combustível para gerar gases em altas temperaturas, que, por sua vez, aquecem as paredes do tubo, emitindo radiação térmica na direção dos produtos de tratamento. O tubo radiante do tipo duplo-P possui uma seção maior de entrada de gás natural e de ar, onde ocorre a formação da chama, e duas seções menores de retorno, para os gases de combustão. Este tipo específico de tubo possui uma zona de recirculação de gases, que permite que uma parcela dos gases provenientes da combustão, retorne à seção de entrada, se juntando aos gases que estão sendo injetados. Este tubo foi projetado utilizando o software Pro/Engineer e sua operação foi simulada numericamente utilizando o software ANSYS – Fluent. Para a modelagem da turbulência se fez uso do modelo k-ε, para reações químicas se utilizou o modelo Eddy Dissipation e para a radiação térmica foi utilizado o modelo Discrete Transfer. Quatro propostas de queimadores foram projetadas e analisadas, sendo que a configuração com seis tubos de injeção de ar apresentou melhor desempenho em termos de distribuição de temperaturas que as demais. Resultados satisfatórios foram encontrados, em termos de campo de temperaturas, padrão de escoamento e frações mássicas para a simulação do tubo, atingindo critério de convergência absoluto de 1E-04. Observou-se que este tubo possui melhor distribuição do campo de escoamento, mais especificamente na zona de recirculação, quando a velocidade de injeção de gases é superior a 100 m/s, ocorrendo melhor formação da chama e consequente melhor queima de combustível. Ao acoplar o modelo de radiação térmica, não se observou uma atenuação geral no campo de temperaturas, como era esperado.

Radiant tubes are widely used in heat treatment furnaces and in other applications. In operation, they are usually fueled with natural gas to generate high-temperature fumes, which heat up the tube walls thus emitting thermal radiation towards the load. The double-P radiant tube type has a larger section for the injection of fuel and air, where the combustions takes place, and two smaller returning sections for the flue gases. This specific type of tube has a recirculation zone that allows some part of the flue gas to return to the main flow, where it mixes up with the injection gases. In this work, the author modeled the double-P radiant tube using the Pro/Engineer software and simulated the operation using the ANSYS – Fluent software. The k-ε turbulence model was used to compute the turbulence , and the Eddy Dissipation model was adopted to model the combustion. In addition, the thermal radiation was modeled by Discrete Transfer. Four distinct proposals of burners were analyzed, and the results indicated that the air injection through six tubes was the most effective in terms of temperature distribution. Moreover, satisfactory results were obtained concerning the flow pattern, the temperature distribution, and the species mass fraction, meeting absolute convergence criteria of 1E-04. Furthermore, the tube has a better flow distribution, in particular in the recirculation zone when the velocity of the injection gases is higher than 100 m/s, improving the fuel burning and flame formation. Contrary to theoretical expectations, one could not observe a general attenuation in the temperature field when the thermal radiation model was activated.