Reduzir emissões de gases para o efeito estufa não se baseia apenas em abandonar sistemas de geração de energia fósseis. Em algumas situações, existe a dependência da queima desses combustíveis. Portanto, uma solução é focar em emitir menos poluentes ou consumir menos combustíveis nessas situações. Neste sentido a simulação CFD de combustão é essencial para uma pegada de carbono menor nesses processos.
O estudo da combustão via fluidodinâmica computacional (CFD) é um importante aliado na otimização do processo de queima de combustível (seja para consumo ou para geração de energia), possibilitando identificar os parâmetros adequados de operação, visando redução do consumo de combustível e redução de poluentes, como o NOx.
Desafios dos processos com combustão
Independentemente da aplicação, os desafios envolvendo os processos de combustão são grandes e basicamente envolvem a preocupação com a eficiência energética e emissões. Os principais tópicos em pauta na simulação CFD de combustão são:
- Controle de emissões e aumento da eficiência energética;
- Aumento do rendimento do combustível e controle do desperdício;
- Projetos com custo de implantação e de manutenção mais baixos;
- Inovação (novos combustíveis, novas faixas de operação, novos materiais e processos de fabricação, dentre outros)
Assim, simular o processo de combustão com CFD é necessário para maior compreensão do fenômeno e otimização dos equipamentos. Com isso, pode-se buscar soluções para os desafios listados.
Como enfrentar os desafios por meio da simulação CFD de combustão
Através do desenvolvimento de um gêmeo digital do sistema de combustão, é possível prever o seu desempenho com alta fidelidade antes de qualquer protótipo e teste no mundo real. Isso permite desenvolver projetos melhores com relação a dinâmica da chama, transferência de calor, desgaste térmico e emissões de gases como NOx e CO.
A simulação CFD de combustão permite explorar diversos parâmetros logo no início do projeto. Dessa forma, objetiva-se, por exemplo, otimizar a forma e localização da chama, o que proporciona minimização da temperatura nos componentes sólidos. Adicionalmente, permite a redução das emissões de gases, maximização da eficiência energética, favorecendo os índices ESG da empresa.
Simulação CFD de combustão com o Simcenter Star-CCM+
O software Simcenter Star-CCM+ é um software multifísico de simulação fluidodinâmica (CFD). Ele oferece uma ampla gama de modelos precisos e rápidos para a simulação de combustão. A escolha de uma modelo frente ao outro depende da física que quer ser representada e do tipo de combustível utilizado.
Alguns modelos do Simcenter Star-CCM+ para análise de combustão
Com esta ampla variedade de modelagens físicas e recursos, o Simcenter Star-CCM+ é capaz de atender a todas as indústrias em todo o espectro de aplicações de combustão.
Sistemas de combustão
Para cada nível de precisão e tempo de resposta previsto, existe uma solução apropriada no Simcenter Star-CCM+ para a simulação CFD de combustão. Por exemplo, para determinar a localização da chama e o perfil de temperatura de um forno, um modelo de flamelet pode ser o mais adequado. Por outro lado, para ignições ou emissões de CO, utiliza-se os modelos multifásicos de reações químicas.
Além disso, o Simcenter Star-CCM+ dispõe de modelo de refinamento de malha adaptativa. Com esse modelo, é possível refinar automaticamente a malha em áreas de interesse, como regiões de alta temperatura e próximo da frente da chama. Esse procedimento contribui para a alta acurácia da simulação.
Reações multifásicas
O Simcenter Star-CCM+ inclui a capacidade de modelar reações químicas com vários tipos de fluxos multifásicos na simulação CFD para combustão. Além disso, escoamentos reativos podem ser acoplados com o modelo multifásico VOF (Volume of Fluid). Com esta abordagem é possível simular colunas de bolhas reativas, metalurgia, reatores de leito gotejante, leitos fluidizados, fornos de vidro, dentre outros.
O software também permite avaliar as reações de superfície nas reações catalíticas. Como exemplo, os sistemas de pós-tratamento de gases de escape. Nos casos de reações entre líquidos ou entre líquidos e gases, podem ser utilizados para avaliar a formação de depósito ou prever corrosão.
Além disso, o conjunto de modelos do Simcenter Star-CCM+ abrange a reação de partículas com partículas (lagrangeanas ou DEM). Ou seja, permite a simulação de combustão de carvão, biomassa, dentre outros.
Ambiente integrado para a abordagem multifísica e análise de resultados
O ambiente integrado do Simcenter Star-CCM+ permite o fácil acoplamento para simulações multifísicas envolvendo combustão, assim como para avaliar a transferência de calor ou a radiação. Nesses casos, é possível avaliar a transferência de calor condutiva e convectiva através de um modelo de energia sólido-fluido. Ou seja, simulações de transferência de calor conjugada (CHT – Conjugated Heat Transfer). Em suma, proporcionando acurácia nos cálculos de temperatura. No caso da radiação, é possível avaliar a radiação de superfície e de partículas.
Além disso, o Simcenter Star-CCM+ possui alta capacidade de processamento de dados, sendo um ambiente adequado para analisar e interpretar os resultados. Essa característica proporciona facilidade no processamento dos resultados visando melhor compreensão das interdependências dos parâmetros.
Reduzindo emissões e reduzindo custos
Como foi visto neste artigo, a simulação CFD de combustão consegue abranger praticamente todo o tipo de queima de combustível. Por exemplo, pode-se simular combustível fóssil ou biomassa. O STAR-CCM+ dispõe de diferentes modelos numéricos junto com um software robusto e geração de malha inteligente. Essas características fazem com que o Simcenter Star CCM+ seja a ferramenta ideal para construirmos processos de queima mais eficientes.
Diante disto, é possível obtermos uma queima controlada e eficiente através da otimização do gêmeo digital do processo de combustão. Em suma, resultando em redução de consumo de combustíveis e redução de emissões. Portanto, com a adoção desta tecnologia, conseguimos uma redução dos gases contribuintes para o efeito estufa, mesmo sem abandonar a queima de combustíveis fósseis.
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