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Título: Proposta de modelo não-paramétrico para quantificação de regimes de fluidização
Autor(es): Fiorillo, David de Almeida
Orientador(es): Borges, Geovany Araújo
Coorientador(es): Paula, Aline Souza de
Assunto: Fluidos
Fluidização
Análise não-linear
Escoamento multifásico
Data de publicação: 3-Ago-2017
Referência: FIORILLO, David de Almeida. Proposta de modelo não-paramétrico para quantificação de regimes de fluidização. 2017. xxi, 184 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Resumo: Este trabalho apresenta uma investigação da aplicação de invariantes do caos, em diferentes regiões de uma coluna de leito fluidizado experimental fria, capazes de quantificar os regimes de fluidização, enfatizando a identificação do regime rápido. O trabalho foi divido em duas etapas, o projeto de bancada e estudo de regiões característica de uma coluna de fluidização, a partir de simulação numérica, e análise não-linear a partir de séries temporais de pressão estática de coluna LFC (leito fluidizado circulante) experimental. A fase de projeto auxiliado por simulação numérica reuniu teorias e fundamentos da fluidodinâmica computacional, através do modelo TFM (Two Fluid Model), para compreensão do escoamento multifásicos numa coluna de leito fluidizado circulante (LFC) e estudo de mapeamento de suas regiões características em diversos regimes de fluidização. A fase experimental consistiu na montagem de bancada e ensaios preliminares para atenuação de ruído para observação de séries temporais do sinal de flutuação de pressão estática nas regiões características. Na etapa de ensaios, três tipos de partículas foram utilizados (vidro 355 µm, areia 1,0 mm e areia 1,2 mm), quando submetidas a condições operacionais específicas (fluxos do ar de entrada), desenvolveram os regimes de fluidização investigados (expandido, borbulhante, turbulento e rápido). A definição dos regimes de fluidização de referência é baseado na descrição da literatura e corrigido através da transparência da coluna LFC experimental. A análise não-linear, que consistiu na avaliação da evolução de invariantes do caos como a dimensão de correlação, entropia de Kolmogorov e o coeficiente de Hurst, de séries temporais de pressões estáticas, coletadas a partir de três regiões distintas de uma coluna de fluidização, submetidas a diferentes regimes e tipo de partículas. A metodologia proposta, permitiu investigar a evolução de indicadores baseados nas invariantes caóticas para quantificação dos estados de fluidização de referência. A principal contribuição desta análise, residiu numa nova abordagem de modelo não-paramétrico (tabela) baseada nas invariantes caóticas entre as regiões de uma coluna LFC. A proposta avalia a similaridade caótica, entre as regiões características de uma coluna LFC para quantificação dos regimes e consequente classificação. Esta técnica, associado a instrumentação rápida de medição de pressão estática, poderia ser usado para controlar regimes de fluidização de sistemas fluidizados como gaseificadores de leito fluidizado, melhorando seu desempenho na conversão de sólidos e gás combustível. O estudo concluiu que as invariantes do caos foram sensíveis aos regimes de fluidização e pouco dependeram das características das partículas. Apesar desta técnica não ter sido testada em colunas escalonadas, de acordo com a teoria, é possível inferir que as invariantes permanecerão sensíveis aos regimes de fluidização, e pouco sensível a mudança geométrica de uma coluna escalonada. Os principais impactos são redução da complexidade operacional para o controle de sistemas fluidizados contínuos, a quantificação do grau de turbulência global da coluna, redução da variabilidade dos produtos dos sistemas fluidizados, e incremento da repetibilidade do processo de leito fluidizado, uma vez que os regimes podem ser quantificados.
Abstract: This work presents an investigation of the application of chaotic invariants in different regions of an isothermal experimental fluidized bed column, capable of quantifying the fluidization regimes, emphasizing the identification of the fast regime. The work was divided in two stages, the bench design and study of regions characteristic of a fluidization column, from numerical simulation, and non-linear analysis from time series of static pressure of experimental CFB (circulating fluidized bed) column. The numerical simulation-assisted design phase brought together theories and fundamentals of computational fluid dynamics through the Two Fluid Model (TFM) model, to understand the multiphase flow in a circulating fluidized bed (CFB) and mapping study of its characteristic regions in several fluidization regimes. The experimental phase consisted of the assembly of bench and preliminary tests for noise attenuation for observation of time series of the signal of static pressure fluctuation in the characteristic regions. In the test stage, three types of particles were used (355 μm glass, 1.0 mm sand and 1.2 mm sand), when subjected to specific operating conditions (incoming air flows), they developed the investigated fluidization regimes (expanded, bubbling, turbulent, and fast). The definition of the reference fluidization regimes is based on the literature description and corrected through the transparency of the experimental LFC column. The nonlinear analysis, which consisted in the evaluation of the evolution of chaos invariants such as the correlation dimension, Kolmogorov entropy and the Hurst exponent, of time series of static pressures, collected from three distinct regions of a fluidization column, subjected to different regimes and type of particles. The proposed methodology allowed to investigate the evolution of indicators based on the chaotic invariants for quantification of reference fluidization states. The main contribution of this analysis resided in a new non-parametric (table) model based on the chaotic invariants between the regions of an LFC column. The proposal evaluates the chaotic similarity between the characteristic regions of an LFC column for quantification of the regimes and consequent classification. This technique, coupled with rapid static pressure measurement instrumentation, could be used to control fluidization regimes of fluidized systems as fluidized bed gasifiers, improving their performance in the conversion of solids and fuel gas. The study concluded that chaotic invariants were sensitive to fluidization regimes and did not depend on particle characteristics. Although this technique has not been tested in staggered columns, according to the theory, it is possible to infer that the invariants will remain sensitive to the fluidization regimes, and little sensitivity to the geometric change of a stepped column. The main impacts are reducing the operational complexity for the control of continuous fluidized systems, quantifying the overall column turbulence, reducing the variability of the products of the fluidized systems, and increasing the repeatability of the fluidized bed process, since the regimes can be quantified.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.
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Aparece nas coleções:ENE - Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e de Automação (Tese)

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